В.В. Докучаєв, П.П. Костичев, В.Р. Вільямс, Г.М. Висоцький вважали ліс фактором, який регулює водний режим території. В.В. Докучаєв відмічав, що степові ліси були колись надійним і вірним регулятором атмосферних вод, а отже, і життя степових річок, озер і джерел.
Нагромадження лісами вологи протягом багатьох сторіч привело до підвищення рівня ґрунтових вод і появи джерел, необхідних для. живлення боліт, озер, річок. Надаючи великого значення ролі лісу в зволоженні території, П.П. Костичев пропонував провести суцільне залісення сипких пісків, яружно-балочних схилів і вододілів.
Значний вклад у науку про ліс вніс академік Г.М. Висоцький. Він розробив класичну характеристику балансу вологи залежно від густоти розміщення і складу насаджень і встановив їх трансгресивний вплив на вологу, що переноситься з океанів в глиб континенту. Ліс, за його висловом, могутній і активний рослинний покрив земної поверхні, важливий біофізичний фактор, що виступає не тільки як виробник деревини, а й як агент лісової пертиненції, що впливає на клімат, режим ґрунтових вод і річковий стік.
Лісові масиви вкривають значну частину суші, вони протягом багатьох років дають надземний приріст, у зв'язку з чим їх пертиненція існує тривалий час і поширюється на великі віддалі. Отже, ліс виступає як біологічний фактор, тісно зв'язаний з навколишнім середовищем: з одного боку, з атмосферою, а з другого – з педосферою.
Вплив лісу насамперед позначається на мікрокліматі лісового середовища. Лісовий покрив захищає ґрунти від промерзання, видування і перезволоження. Під ним значно зменшується поверхневий стік і помітно уповільнюється весняне танення снігу. Завдяки кращому проникненню води в ґрунт і поповненню підґрунтових вод, які живлять річки, зменшуються повені і підтримується рівномірний режим річок [12].
Спостереження Г.Т. Селянинова, О.С. Козьменко, Н. П'. Леонтієвського і Г.А. Харитонова, В.І. Рутковського та ін. підтвердили висновки В.Р. Вільямса, що під масивними насадженнями і лісовими смугами грунт промерзає менше, сніг тане повільніше, поглинення води більш повне, ніж на полях. Підтвердився також висновок В.В. Докучаєва, що лісові насадження є резервуарами вологи: вони нагромаджують її і розподіляють рівномірно.
Гідрологічними і лісівничими дослідженнями встановлена роль лісів та лісистості водозбору в підтриманні підґрунтового й інфільтраційного стоку на певному рівні. Так, О.А. Дроздов відмічає, що зміна лісистості на кожні 10% викликає зміну кількості опадів на даній території на 4%. Аналогічні дані одержано й на багатьох дослідних станціях США. Користуючись ними, американські лісогідрологи визначили узагальнені показники гідрологічної ролі лісів. В Західних штатах, де середня лісистість становить 21%, понад 50% всього постійного стоку річок надходить з лісових територій. В Каліфорнії, де лісистість доходить до 42%, лісові території дають 95% постійного стоку річок. Таким чином, вкриті лісом площі забезпечують постійний місцевий стік, який в 2–2,5 рази перевищує процент лісистості.
Знищення лісів призвело до різкого збільшення поверхневого стоку, характерного для відкритої місцевості, значного обміління річок у літній період або навіть до повного їх висихання. Наприклад, у верхів'ях Сіверського Дінця береги, як зазначають В.Т. Ніколаєнко та ін., за останні 70–80 років відступили приблизно на 20 км. Вирубки насаджень по берегах обумовили швидке руйнування їх, замулення річки.
Зменшення постійної частини стоку річок дуже знижує енергетичний потенціал і судноплавство.
За даними А.Д. Дубаха, ліс є основним фактором природного регулювання стоку рік протягом року. На підставі багаторічних досліджень цей автор встановив, що чим менша лісистість, тим вище піднімається вода в річках, особливо малих, навесні.
Аналіз матеріалів гідрологічних досліджень показує, що ліс по-різному впливає на рівень ґрунтових вод і на середовище в цілому. Особливо чітко ця властивість проявляється у місцях надмірного зволоження. Ліс, дренуючи грунт, осушує його, знижує ступінь заболочування, а в посушливих районах додатково зволожує. Встановлено, що у північних районах болота можуть зникати в міру росту лісу, а після вирубки його грунт знову заболочується. Г. І. Танфільєв (1894) вважає, що заболочення північних районів Росії є наслідком зрідження і вирубки лісів. Слід пам'ятати, що вплив лісу на ґрунти значною мірою залежить від його географічного положення, територіального розміщення, особливостей і будови ґрунту, клімату району та інших факторів.
Численними дослідженнями встановлено також особливості впливу лісів різного складу і віку на гідрологічні умови району, що дає можливість відповідно цілеспрямовано регулювати гідрологічний режим річок та місцевості в цілому. Доцільним є створення двох'ярусних з підліском різновікових високоповнотних (0,7–0,8) насаджень з добре розвиненою кореневою системою і потужним шаром лісової підстилки. За даними О.О. Мол-чанова, вирішальне значення в цих насадженнях має стан ґрунту. Ліс виконує гідрологічні функції за умови, що грунт його структурний.
При створенні водорегулюючих насаджень велике значення має правильний добір деревних і чагарникових порід, їх розміщення залежно від природних умов і елементів рельєфу. Цьому питанню присвячено велику кількість наукових праць, з яких найбільш значними є роботи А.Д. Дубаха і В.А. Троїцького. А.Д. Дубах встановив, що мішані різновікові лісонасадження сприяють поступовому таненню снігу і посиленому переведенню поверхневого стоку у внутрішній.
Водоохоронні і водорегулюючі функції лісу невід'ємні від функцій ґрунтозахисних, які проявляються в закріпленні ґрунту. Вони запобігають змиванню і розмиванню ґрунту, збереженню і поліпшенню його властивостей, закріпленню рухомих пісків, припиненню утворення яруг. Завдяки розвинутим кореневим системам, ліси з глибоких шарів ґрунту виносять на поверхню мінеральні поживні речовини, які разом з органічними сполуками, розкладаючись з допомогою мікробів, сприяють не тільки підтриманню; а й підвищенню їх родючості [16].
Вище зазначалась одна з найважливіших ґрунтозахисних властивостей лісів – протиерозійна. Численні дослідження вітчизняних і зарубіжних учених свідчать, що в системі боротьби з ерозією вирішальна роль належить лісові; в боротьбі з вітровою ерозією можуть допомогти раціональна агротехніка і створення полезахисних смуг.
Вивчаючи роль лісу в зменшенні поверхневого стоку, А.Д. Дубах встановив, що в лісі поверхневий стік наближається до нуля, в той час як на лугових схилах. він значний – 184 мм.
Особливо важлива протиерозійно-водорегулююча роль лісів на нижніх частинах схилів. Вони поглинають рідкий і затримують твердий стоки з вищерозташованих ділянок, завдяки чому площі, що знаходяться нижче, захищаються від змиву ґрунтів, а днище балок, береги рік та інші водойми – від розмивання, замулення та занесення продуктами ерозії.
Для посилення водоохоронно-регулюючих функцій захисних лісових насаджень, створених по берегах річок, важливе значення має їх ширина, яка залежить від характеру ґрунтів, крутизни схилів, ширини річки та інших умов. Г.А. Харитонов встановив зв'язок між шириною лісових смуг та здатністю їх поглинати поверхневий стік. Так, 80- і навіть 40-метрові смуги майже повністю усувають поверхневий стік, переводячи його у внутрішньогрунтовий та ґрунтовий.
Захисна функція лісів має особливо важливе значення в горах, оскільки дерева, закріплюючи ґрунт корінням, оберігають його від змиву, усувають розвиток селей, зсувів, утворення стрімких гірських потоків, що являє велику небезпеку для нижче розташованих угідь, шляхів, будов. Механізм протизсувної дії лісів полягає в тому, що вони, споживаючи вологу на транспірацію, зменшують вологість ґрунтів на водотривких шарах, внаслідок чого процес зсуву послаблюється.
Для того щоб добитися повнішого прояву захисних властивостей лісу, необхідно підбирати відповідний склад насаджень. Так, А.К. Денисов рекомендує породи, що глибоко вкорінюються, з великою транспіраційною здатністю, а для запобігання осипам – породи з міцною поверхневою кореневою системою [16].
Гірські ліси є могутнім регулятором кругообігу вологи в природі, вони впливають на клімат району і прилеглих територій. На цю особливість гірських лісів вказували Г.М. Висоцький, Г.Ф. Морозов та ін. Вони встановили, що ліс на гірських схилах збільшує кількість опадів, зменшує можливість формування поверхневого стоку, поліпшує і оберігає структуру ґрунтів та ін.
Г.Ф. Морозов писав, що в гірських лісах шкідливі зливи знешкоджуються, винесення каміння в долини, а також змивання і винесення ґрунту зменшуються.
Велике водоохоронно-захисне значення має лісова підстилка, яка сприяє збереженню ґрунтів, підвищує їх вологість і затримує поверхневийстік (за даними Д.Л. Соколовського, ліс зменшує середній річний стік приблизно на 15–20%). Крім того, підстилка зберігає ґрунт від прямого впливу дощових вод, тобто від руйнування і ущільнення його, вона фільтрує воду і тим запобігає замуленню ґрунтів.
В умовах Лісостепу і Степу лісам відводиться особлива роль у збереженні полів від посухи і пилових бур. Високу ефективність лісових насаджень у боротьбі з вітровою ерозією відзначали Г.М. Висоцький, М. І. Сус, П.С. Погребняк, Б.Й. Логгінов, Ю.П. Бялович, М.М. Дрюченко, Г. І. Матякін, С.А. Смалько та ін. Г.М. Висоцький в 1894 р. писав, що для збереження ґрунтів від руйнівного впливу вітрової ерозії необхідно посилювати шершавість ґрунтів, збільшувати коефіцієнт тертя шляхом «вкриття ґрунту лісовою і сільськогосподарською рослинністю. Він підкреслював, що під час посухи навіть трирічні насадження сприяють підвищенню вологості повітря. З ростом насаджень збільшується випаровування і повітря ще. більше збагачується вологою.