Глубоко заинтересовавшись водным режимом растений, Костычев быстро замечает, что у Карельщикова этот вопрос затронут лишь с анатомической стороны. Физиология устьиц, их «работа», количество выделяемой ими влаги, связь всех этих явлений с поступлением воды из почвы в корневую систему растений — все это оставалось неосвещенным. Костычев просматривает русские и немецкие ботанические и агрономические журналы и выбирает из них все интересные статьи по водному режиму растений. Плодом этой работы молодого ученого явилась статья «Откуда растения берут воду?», которую Костычев опубликовал в одном из номеров журнала «Сельское хозяйство и лесоводство» за 1869 год.
Еще осенью 1866 года Карельщиков и Костычев занялись изучением корневой системы некоторых луговых трав. Молодых ученых интересовал вопрос о размножении этих трав корневой порослью. С увлечением копал Костычев влажную петербургскую почву, и его глазам открывались тайны подземной жизни луговых растений: в почве они образовывали целый лабиринт корней, которые уходили от самого растения в стороны иногда на несколько метров. «Жирные» спрятанные в почве корни не боялись морозов, хорошо перезимовывали и весной давали жизнь новым буйным надземным побегам. Эти травы благодаря особенностям строения их корневой системы являлись многолетними, что и обеспечивало им большую жизнестойкость и успешное распространение. Сорные растения этой группы, попадая на поля, делались сущими бичами для земледельца, искоренить их было очень трудно, особенно теми орудиями обработки почвы, которые были в распоряжении крестьян Петербургской губернии.
Костычев с удивлением узнавал, что крестьяне, жившие в окрестностях столицы, еще более бедны и забиты, чем подмосковные. Каждый пуд ржи петербургским земледельцам приходилось отбивать у суровой северной природы: заболоченность большинства почв, частые дожди во время созревания и уборки хлебов, обилие злостных сорняков на полях — вот враги, душившие здешнего земледельца. Единственной же «машиной», имевшейся у него, была русская соха.
Костычев приглядывается к сошной обработке почвы, беседует с крестьянами, спрашивает их, почему они так упорно держатся за соху. Сначала они отшучивались, говорили, что к сохе мужики, мол, привычны, но потом оказывалось, что они прекрасно понимают преимущества плуга. «При обработке полей держатся сохи обыкновенно потому, что она дешева», — писал впоследствии Костычев в своей работе «Учение о механической обработке почв».
Соха не делала почву культурной, не способна была бороться с сорными растениями. «…После сохи, — писал Костычев, — пашня имеет всего чаще совершенно беспорядочный вид: поверхностный слой в иных местах перевернут, в других местах стоит вертикально, в третьих — лежит на поверхности, как прежде. В одном месте нагорожена куча земли, рядом находится углубление и т. д. Чем плотнее земля и чем более она задернела, тем работа сохи хуже». Корневищные сорняки были сильнее сохи. Причина их «силы» заключалась в особом строении корневой системы.
Сборы Костычева значительно обогатили гербарий ботанического кабинета. Немало долгих зимних вечеров Карельщиков и его любимый ученик и товарищ провели за разбором своих ботанических сокровищ. Свои лекции о корневой системе растений Карельщиков уже иллюстрировал материалами, собранными совместно с Костычевым.
Невзирая на огромные житейские трудности, Костычев успешно занимался в институте и, подобно тому как в уездном училище и Земледельческой школе он был первым учеником, становился здесь, в Питере, «первым студентом». Но «первому студенту» и другим вольнослушателям грозила беда, которой они и не чаяли.
Полиция обратила внимание на то, что институт привлекает слишком много вольнослушателей, большинство из которых группировалось вокруг революционно настроенного профессора Энгельгардта. Среди студенческой молодежи сильно росли революционные настроения, студенты и вольнослушатели зачитывались Чернышевским и Герценом, принимали участие в студенческих кружках и сходках. Власти решили положить этому конец. Больше всего их смущали вольнослушатели: они не носили студенческую форму, за ними был затруднен надзор.
