单位水量从一个平衡的土—水系统移动到与它温度相同而处于参比状态的水池时所作的功。1963年国际土壤学会土壤物理名词委员会的定义是：把单位数量纯水可逆地等温地以无限小量从标准大气压下规定水平的水池移至土壤中某一点而成为土壤水所作的有用功。

1907年白金汉（E.Buckingham）提出毛管势概念。1920年加德纳（W.Gardner）将土壤水的含量与其能量联系起来。1931年里查兹（L.A.Richards）发明了张力计，为实测毛管水势奠定了基础。此后，对土水势的认识有两种基本观点：机械力学观点和热力学观点。

机械力学观点

机械能包括动能和势能，由于土壤中水分运动的速度小，其动能可忽略不计，故而势能是决定土壤水能态的主要因素。土水势是通过土壤水分反抗分子引力、弯月面力、弹性力、溶质水化力、电磁力等作功而获得的，主要力场有：①地球重力场引起的重力；②土中水柱压和参照压差值形成的压力；③溶质水化力；④土粒吸附力与毛管作用构成的基质吸力。它们在标准状况下（以1个大气压、选定高度的纯自由水池为参照标准）比较得出土壤水各分势的总和（势能相对值），用下列符号表示如下：

Ψ_总＝Ψ_重＋Ψ_压＋Ψ_溶＋Ψ_基

式中：Ψ_总是总土水势（简称土水势）；Ψ_重是重力势；Ψ压是压力势，Ψ_溶是溶质势（或渗透势），Ψ_基是基质势，以上分势中还不能完全反映环境对土水势的重要影响因素，如温度的影响。因此，上式并不完全。

热力学观点

1943年，爱德弗生和安迪生（N.E.Edlefsen and A.B.C.Anderson）开始用热力学状态函数，如吉布斯（Gibbs）函数、内能、化学位、自由能、熵、热焓等来描述土壤-水系统状态。土壤中任一点的单位数量土壤水分的吉氏自由能和标准参照状态下自由能的差值，即为该点的总土水势Ψ_总，其中包括因系统压力变化引起的自由能增量的压力势（Ψ_压），由于温度改变引起的自由能增量的温度势（Ψ_温），溶液浓度变化引起的溶质势（Ψ_溶），土壤基质吸力引起的基质势（Ψ_基）以及位置变化引起的重力势（Ψ_重）。这5项分势之和就是总土水势（Ψ_总）：

Ψ_总＝Ψ_压＋Ψ_温＋Ψ_溶＋Ψ_基＋Ψ_重

与机械力学观点的土水势比较，由热力学观点导出的土水势中多了一项温度势Ψ_温。从实用上看，由于温度势实测较难，所以一般不考虑它。

实用上土水势含4个分势，而不考虑其他分势（如温度势、电场势）。

重力势

单位水量从一个处于任何位置的平衡土—水系统移到处于参比位置上而其他条件都相同的另一个系统所作的功。它是地球重力场引起的。参比位置可任意选择，在田间条件下，一般选在地表面或地下水面处。垂直坐标Z的原点设在参比平面上，以参比原点为零，由原点向上为正，向下为负，其计算公式为：Ψ_重＝±MgZ，式中，M为土壤水质量，g为重力加速度。

压力势

单位水量从一个平衡的土—水系统移到除压力不等于参比压力，而其他条件都相同的另一个系统时，所作的功。它由压力场中压力差而引起。其表示式为：Ψ_压＝V_W△P。式中，V_W为水偏比容，△P为附加压力，对于水饱和土壤或地下水面以下的土层；压力势Ψ_压≥0，对于非饱和土壤，不存在连续水柱，静水压为零。但在土壤孔隙封闭时，可能局部产生高于参比大气压的压力，称为气压势，其数量甚少，一般可不予考虑。当土壤水中悬着胶体颗粒时，由于它们增加了液体密度及胶体膨胀等原因，增加了静水压，称为荷载势。

基质势

单位水量从一个平衡的土—水系统移到没有基质的而其他条件都相同的另一个系统中所作的功。它由于土壤对水分的吸附力和毛管力作用所引起。非饱和土壤的基质势为负值，Ψ_基＜0，而饱和土壤的基质势为零，Ψ_基＝0。

溶质势

单位水量从一个平衡的土—水系统移到没有溶质而其他条件都相同的另一个系统时所作的功，又称渗透势。

土壤水溶液中的溶质对水分有吸引力，水分移动时必须克服这种吸持作用对土壤水做功，因此溶质势也是负值，即Ψ_溶＜0。土壤中无半透膜存在，溶质势不会引起水分流动。但对植物来说，吸收水分、养分必需通过根细胞的半透膜，溶质势就显得重要。溶质势测定同计算植物细胞渗透压的方法相同：

土水势

式中：C为溶液浓度，μ为溶质的摩尔质量（克/摩尔），因此C/μ是以摩尔表示的溶液浓度（摩尔/升）。T为热力学温标（°K），R为摩尔气体常数。土壤水的溶质势与渗透压的数值相同，而符号相反，Ψ_溶是一个负值：

土水势

在自然条件下，构成土水势的4个分势并不是同时存在或同时起作用，如土壤中无半透膜存在，溶质势不会引起水流运动，除盐渍土外，一般土壤中溶质浓度低，可以不考虑它。在土壤水分饱和时，基质势Ψ_基＝0，因此，总土水势只由压力势和重力势构成，即Ψ_总＝Ψ_压＋Ψ_重。对于非饱和土壤，在不考虑气压势（很微小）时，压力势与参照压相等，故Ψ_压＝0，此时总土水势由基质势和重力势构成，Ψ_总＝Ψ_基＋Ψ_重。

在水力学研究中，多不考虑土壤溶质势，而把另外3项分势合称为水力势（Ψ_h），即Ψ_h＝Ψ_重＋Ψ_压＋Ψ_基。

常用的土水势计量单位有3种，即①单位质量土壤水的土水势（焦尔/升克），其量纲为L²·T^-2；②单位容积土壤水的土水势（焦尔/立方米），经转换为压强单位牛顿/平方米，用帕表示，1帕＝牛顿/米²，量纲为ML^-1·T^-2；③单位重量土壤水的土水势，其单位是水柱高度（厘米或米），量纲为L。

这3种单位中，第2种已被采用为国际上通用的标准单位。它们之间，可通过下列公式进行换算或查阅换算表。①质量土水势×密度＝容积土水势；②质量土水势/重力常数＝重量土水势；③容积土水势/密度·重力常数＝重量土水势。

①土水势可用仪表直接测出，根据事先求得的该土壤的土水势—含水量关系，由它可查得土壤含水量；②由土壤各点的土水势值，可判断土壤水运动的方向和强度，水总是由土水势值大处向土水势值小处流动，以达到平衡；③为田间土壤水分自动化管理，提供条件。如采用真空张力计，使土壤水产生负压通过力敏电阻等敏感原件转换成电讯号，经放大、控制等电子电路，实现灌溉排水自动控制；④由于土水势概念的建立和运用，使土壤—植物—大气连续体（SPAC）中水分运动研究得到统一标准，因而它在农业科学、生命科学、环境科学等领域得到广泛应用。