Но Министерство финансов отпустило на опытное сельскохозяйственное дело такие маленькие средства, что удалось, да и то по далеко не полной программе, организовать три станции: в Смоленской губернии, на подзолистых почвах, в переходной полосе, недалеко от Тулы и в засушливом юго-восточном районе на Волге. Однако добиться открытия и этих трех станций Костычеву стоило колоссального труда и напряжения. Достигнутый успех, хотя он и не соответствовал первоначальному плану, оказался значительным: были созданы первые в нашей истории постоянные государственные опытные станции.

В 1893 году умер А. Н. Энгельгардт. Тяжело переживали Костычевы эту утрату. Но надо было подумать и о любимом его детище — батищевских опытах. Наследники Энгельгардта не могли продолжать это дело, и Костычев начинает хлопотать о покупке Батищева в «казну». Он сумел добиться успеха, и так была создана Энгельгардтовская опытная станция.

Вторая станция — Шатиловская — организовалась в имении «Моховое», под Тулой, где уже давно велись успешные опыты лесоразведения на черноземе.

Больше всего Костычева интересовали сельскохозяйственные судьбы Заволжья — этого «края без будущего», как тогда говорили некоторые пессимисты. И действительно, здесь засухи появлялись особенно часто и резко. По уверениям одного крупного помещика, считавшего себя знатоком заволжского края, здесь невозможно не только земледелие, но и скотоводство «при совершенной несбыточности травосеяния, положительно неудающегося там по климатическим условиям». Этот помещик также говорил, что в Заволжье «радикальные меры к улучшению земледелия и культуры принимать невозможно, и остаются доступными только палиативные мероприятия и то только временные».

— Все это я говорю на основании двадцатипятилетних личных наблюдений, — уверенно заявлял помещик, и многие ему верили: что и говорить — «край без будущего».

Костычев тоже хорошо знал заволжские степи, но, в противоположность этому мнению, считал Заволжье краем с великим будущим. В июне 1894 года он отправился в волжский район для непосредственного ознакомления на месте с нуждами и потребностями «как владельческого, так и крестьянского земледелия». Во время этого путешествия ученый посетил Нижний Новгород, Казань, Самару, Саратов. Но главной целью поездки было засушливое Заволжье. Костычев стремился попасть туда быстрее «для выработки на месте» плана работ будущей опытной станции. Осмотрев еще раз внимательно степное Заволжье, он пришел к выводу, что здесь, несомненно, возможно высокопродуктивное зерновое хозяйство, но надо изучить этот вопрос на месте. Можно насадить защитные леса. Сейчас их нет, куда ни посмотришь, везде голый горизонт. А ведь в старину здесь были леса и, должно быть, не редкие и не малые. Об этом свидетельствует чудом сохранившийся Бузулукский бор, занимающий 60 тысяч десятин, и названия многих поселков и местностей: Александров-Гай, Осиновый, Яблоновый-Гай, хотя от этих «гаев» не осталось и кустика.

— Зашумят здесь снова гаи, и травы будут расти, и Волгу на орошение используют, — говорил Костычев молодому агроному Василию Семеновичу Богдану (1865–1939), которого он привлек для организации Валуйской опытной станции. Место для нее Костычев выбрал в самом сухом и жарком Новоузенском уезде Самарской губернии.

— Именно на этой безрадостной земле будет доказано, что природу Заволжья переделать можно, — говорил он, когда они с Богданом осматривали огромную степь с голым горизонтом.

План работы станции, заведование которой было поручено Богдану, разработал сам Костычев. Главными ее задачами он считал внедрение травосеяния, выращивание леса, разработку научных основ орошения. Богдан сразу же организовал исследования почв и грунтовых вод, метеорологические наблюдения и определение влажности почвы. Станция ввела в культуру новую засухоустойчивую траву — житняк, успешно выращивала лес, ставила опыты по орошению. В первом своем отчете за 1895–1896 годы Богдан писал, что место для станции выбрал «наиболее компетентный знаток почв юго-востока России, профессор П. А. Костычев». Его «капитальными сочинениями…изобилующими массою глубоко верных наблюдений», молодой агроном постоянно пользовался в своей практической работе. «Почвы черноземной области России» стали его настольной книгой.

Организовав три опытные станции — Энгельгардтовскую, Шатиловскую и Валуйскую, призванные обслуживать нужды трех крупнейших физико-географических районов России, Костычев продолжал, можно сказать, до последнего дня своей жизни заботиться о развитии сельскохозяйственного опытного дела. Летом 1895 года он отправился еще раз в знакомые ему места Закавказья, где встретился с В. Р. Вильямсом, организовывавшим тогда первые русские чайные плантации вблизи Батуми. Вместе они путешествовали по долине бурного Чороха, подымались в горы, исследовали субтропические красноземные почвы. Костычев во время своих поездок, как мы знаем, никогда не расставался со своей стальной лопатой и с термометром, которым он измерял температуру почвы. В этом жарком краю почва нагревалась особенно сильно. В. Р. Вильямс вспоминал потом: «Максимальная температура, которую мне пришлось наблюдать вместе с П. А. Костычевым на черной аллювиальной почве долины Чороха в Закавказье, равнялась 72°».

Огромные природные богатства Западной Грузии и Черноморского побережья Кавказа в то время почти не использовались. Здесь можно было выращивать чай, апельсины и лимоны, виноград, но на полях бедных и забитых аджарских крестьян ученые ничего не видели, кроме кукурузы. Костычев мечтал о полной перестройке сельского хозяйства Закавказья, считал, что и здесь необходимы опытные станции, но с особыми задачами. Последняя поездка Костычева на Кавказ «имела одной из целей изучение на месте вопроса о правильной постановке опытных станций в Сочи и Сухуми». Этим планам Костычева не суждено было сбыться. Правительство считало, что и открытых трех станций вполне достаточно, а о развитии колониальных окраин, таких, как Закавказье, оно совершенно не заботилось.

Костычев создал первые большие опытные станции в России, они существуют и сейчас. Ему же принадлежит первая программа работы этих станций. Заслуги ученого в области развития сельскохозяйственного опытного дела чрезвычайно велики, хотя он и посвятил ему лишь один-два года.

В конце 1894 года Костычев любовно и тщательно переделывал для печати свое, впервые изданное десять лет назад, «Общедоступное руководство к земледелию». Не знал он, что это его лебединая песня… Он давно болел грудной жабой; это была тяжелая, изнурительная болезнь… Нередко превозмогая невероятные физические мучения, напрягая всю свою волю, ученый продолжал работать и во время приступов болезни. Врачи настойчиво рекомендовали ему вести спокойный образ жизни, но этот совет был не для Костычева. Дорого ему стоила последняя поездка на Кавказ летом 1895 года. Обратно он решил возвращаться Каспийским морем — и дальше по Волге. Когда он плыл из Баку в Астрахань, произошло кораблекрушение, ученый Спасся, но сильно простудился и с трудом добрался до Питера. 21 ноября 1895 года он скончался.

Не только родные, близкие и многочисленные друзья, но и вся передовая русская общественность оплакивала преждевременную кончину великого ученого. 25 ноября 1895 года журнал «Хозяин» сообщал: «Вчера в Александро-Невской лавре совершался печальный обряд, собравший многочисленную толпу представителей различных общественных групп. Шум скатывавшейся на доски земли напомнил о том, что мы навсегда расставались с одним из выдающихся наших научных работников — Павлом Андреевичем Костычевым…

Имя П. А. Костычева как неутомимого работника, агронома и исследователя известно всей России».

Все русские агрономические журналы и газеты поместили некрологи, в которых отмечались выдающиеся заслуги Костычева перед родиной и наукой.

«Можно сказать, что он любил русскую землю и она, отвечая ему взаимностью, не скрывала пред ним своих тайн», — писал о Павле Андреевиче его неизменный друг профессор Рудзкий.