Подошел к этому Костычев, казалось бы, случайно, занимаясь совсем другим делом. Он ни на минуту не забывал, что загадка быстрого ухудшения новей вовсе не решена. Действительно, почему прекрасные черноземы через пять лет их использования отказываются давать устойчивые и высокие урожаи? С этим вопросом он часто обращался к практическим знатокам степного сельского хозяйства. Ответы были разные. Одни говорили:

— За пять лет почва совершенно истощается питательными веществами — вот причина резкого падения урожаев.

Другие склонялись к иному объяснению:

— Смотрите, на свежих новях нет сорных трав, а на старой пахоте их очень много, они-то и понижают урожай хлебов.

Оба эти объяснения показались Костычеву совершенно несостоятельными.

«Что касается первой причины, — говорил он, — то я не могу придавать ей того значения, какое обыкновенно приписывается ей; чернозем не может в значительной степени истощиться в какие-нибудь четыре или пять лет. Роскошное развитие сорных растений на старой пахоте и урожаи культурных растений при благоприятной погоде показывают, что в почве, паханной пять-шесть лет, содержится вполне достаточный для роскошного развития растений запас питательных веществ».

Вторая причина, а именно постепенное разрастание сорняков на пашне, тоже не могла иметь решающего значения.

В некоторых хозяйствах, благодаря лучшей обработке, сорняков было очень мало и на старых пашнях, и тем не менее они по урожайности хлебов очень уступали новям. Выходило, что высокое плодородие новей по сравнению со старыми пашнями не было связано только с их истощенностью или с влиянием сорняков.

Открытие Костычева — установление им особого физического строения почвы на новях — было простым и гениальным и сыграло почти ни с чем не сравнимую роль в дальнейшем развитии научной агрономии и почвоведения. В чем же состояло это открытие? Предоставим слово самому Костычеву:

«…плодородие нови объясняется совершенно иною причиною: достаточно рассмотреть хорошенько пласты, чтобы убедиться в особенном механическом строении почвы на новях, резко отличающемся от строения почвы на пашнях более старых.

Если взять в руки кусок пласта в середине лета на первый год посева по поднятой нови, то даже при значительной величине его он не разламывается; если, взявши его в одну руку, сильно ударить его острым краем лопаты (лопата со мною была очень острая, стальная), то он не разрубается при этом, и лопата или соскальзывает с него, или углубляется в него незначительно.

При такой связности больших частей пласта они не представляют цельных больших комьев, но состоят из одних только мелких комочков — величиною, по большей части, от чечевицы до крупной горошины; все эти комочки связаны между собой по всевозможным направлениям — вроде бус — нитями корней бывших степных злаков.

Такое строение пластов в высшей степени благоприятно для посеянных на нови растений. Пласт вследствие значительной плотности отдельных его комочков остается сверху всегда рыхлым (что я наблюдал во всех виденных мною случаях) даже после очень сильных дождей; дожди не могут разбить или размочить отдельных очень плотных комочков, составляющих пласт, тогда как те же дожди на мягких землях образуют порядочную корку. От этого влага в нижней части пласта держится долее, внутренность пласта всегда доступна атмосферному кислороду, а земля тотчас же под пластом постоянно остается сырою…

Такое строение почвы, — замечает Костычев, — только и может быть на новях; никакие меры ни при каких условиях не могут придать мягкой земле такого строения, так как в подобной земле отдельные комочки никогда не могут быть так прочны, как на нови… поэтому состояние нови вполне соответствует идеальному требованию относительно… того, чтобы весь пахотный слой, начиная с поверхности его, оставался постоянно рыхлым».

«Идеальное» строение почвы сохраняется на нови и на второй год ее обработки, но постепенно почвенные комочки разрушаются, и на шестой год, по наблюдениям Костычева, «нельзя уже отличить недавнюю новь от давнишней мягкой пахоты».

Что же создает комковатое, как мы теперь говорим, структурное, строение почвы? Корни многолетник трав, отвечал Костычев. Мы сейчас благодаря трудам советских ученых глубже понимаем этот вопрос, но все же суть его остается прежней: прочная комковатая структура почвы может быть создана только под влиянием корневых систем растений — многолетних и однолетних.

После наступления злаковой стадии постепенно восстанавливалась структура почвы, и она получала свое прежнее плодородие — вновь приобретала такие физические свойства, которые способствовали созданию в ней хорошего водного и воздушного режима. Питательными веществами черноземы тоже хорошо обеспечены. Еще в одной из своих ранних студенческих работ Костычев писал, что нужно одинаково внимательно изучать и химические и физические свойства почвы.

Но сейчас он увидел, что этого недостаточно: необходимо особенно тщательно изучать биологические процессы, совершающиеся в почве, и их влияние на ее «физику» и «химию». Летом 1881 года Костычев на примере своих личных исследований доказал огромную эффективность такого широкого комплексного подхода к почве и к происходящим в ней явлениям. Он нашел объяснение причинам засух, так губительных именно для черноземных пашен. Он увидел пути, еще не проторенные, но ясные для разработки мер, настоящих и радикальных, по борьбе с засухой, по созданию системы повышения плодородия почвы. Этими исследованиями Костычев заложил фундамент нового направления в почвоведении — направления биологического и вместе с тем агрономического.

Повидимому, Костычев и сам чувствовал, какие большие и важные научные открытия он сделал. Он поспешил, по своему обыкновению, сделать их всеобщим достоянием. Можно думать, что еще в поле он написал статью о своих путешествиях весной и летом 1881 года. Во всяком случае, уже в июльской и августовской книжках журнала «Сельское хозяйство и лесоводство» появилась составившая эпоху в науке статья Костычева. Он так опешил, что не сумел придумать для нее подходящего названия. Называлась она просто: «Из степной полосы Воронежской и Харьковской губерний», а в скобках было добавлено: «Наблюдения и исследования над почвой и растениями».

Приходится удивляться тому, что Костычев за короткое время — в несколько месяцев — сумел сделать много крупных научных открытий, обобщить их, написать прекрасную научную работу, прийти к важнейшим практическим выводам. Он обладал громадной трудоспособностью и не меньшей наблюдательностью, умел шаг за шагом прослеживать наиболее тонкие явления природы, был прекрасно осведомлен в новейших достижениях разных наук — ботаники, химии, агрономии. Эти черты в характере Костычева правильно подметил его современник — профессор H. M. Сибирцев. «По складу своего мышления и по направлению своих работ, — говорил он о Костычеве, — это был тонкий, остроумный, настойчивый и последовательный аналитик. Изучить явление от начала до конца, от корня до последних разветвлений, не оставить без рассмотрения ни одной детали, исследовать шаг за шагом все нити и изгибы вопроса, всюду применяя строго выдержанные методы меры и веса, — вот задачи, которые ставил себе Костычев и которые выполнялись им с неизменно сосредоточенным вниманием и соответствующим успехом».

Зимой 1881/82 года чрезвычайно оживилась работа костычевского студенческого научного кружка в Лесном институте. Костычев рассказывал студентам о поездке по черноземным степям, показывал им образцы собранных почв и растений. Он увлекал молодежь своим примером смелого экспериментатора, стремившегося разрабатывать важные научные проблемы, которые имели первостепенное значение и для практики.