רפי התעניין במערכת הנקבובית המורכבת והמסובכת של קרקע ומים ובהשפעתה על הצמח הגדל בה. הוא פיתח מערכות ניסוי חדישות, מתקדמות מאוד לתקופה, שאפשרו לו לחקור את יחסי הקרקע-מים-שורש ברמה המיקרוסקופית. בין נושאי המחקר שלו:
- כלורוזה – הצהבת הצמח וקטיעת גידולו בגלל עודפי גיר בקרקע
- המלחת קרקעות כתוצאה מהשקאה במים, בעיקר מים מליחים
- תנועת מלחים ויונים בסביבה נקבובית
- תנועת מלחים בקרקע בלתי-רוויה
- פיזור דשנים לאורך פרופיל הקרקע
- מבנה המים הספוחים לחרסיות