Но что делается с фосфором в почве? Для растений важное значение имеет тот фосфор, который находится в подвижном, легко растворимом состоянии. «Много ли такого фосфора бывает в почве?» — вот каким вопросом задался Костычев прежде всего.
Из образцов разных почв он делал «водные вытяжки», то-есть взбалтывал почву некоторое время с дистиллированной водой. Полученную мутную жидкость он тщательно отфильтровывал и в прозрачном фильтрате определял фосфор. Оказалось, что такого воднорастворимого фосфора в любых почвах содержится обычно очень мало. «При исследовании какой бы то ни было почвы, — говорил Костычев, — мы всегда найдем… что часть фосфорной кислоты может быть извлечена из почвы чистою водою; другая, большая часть фосфорной кислоты, напротив, в воде не растворяется».
Грандо утверждал, что вся фосфорная кислота почвы растворяется в черной перегнойной жидкости, но исследования Костычева этого не подтвердили. Оставалось предположить, что большая часть почвенного фосфора входит в состав каких-то труднорастворимых соединений. Большинство ученых считало, что этими соединениями будут фосфорнокислые соли железа и алюминия.
В те времена в качестве фосфорного удобрения применялись почти исключительно размолотые фосфориты. Они состояли из фосфорнокальциевой соли, или, иначе, из фосфорнокислой извести. Немецкий ученый Вагнер сделал предположение, что эта соль в почве тоже очень быстро целиком переходит в фосфорнокислое железо. Точка зрения Вагнера показалась Костычеву маловероятной, и он решил поставить специальные опыты по ее проверке. Он взял чистое фосфорнокислое железо и начал обрабатывать его водой; оказалось, что эта соль водой довольно легко разлагалась. Если к фосфорнокислому железу прибавить простой извести, то оно постепенно переходит в фосфорнокислую известь, а углекислый газ выделяется в атмосферу. Костычев доказал, что во многих почвах, и особенно в черноземах, фосфор присутствует в виде кальциевых солей фосфорной кислоты; солей же железа и алюминия содержится гораздо меньше. Это было важное открытие, но Костычев в своих исследованиях пошел дальше.
Он установил, что в почве могут встречаться разные фосфорно-известковые соли — более растворимая и менее растворимая. Эти две соли в почве постоянно переходят друг в друга. Если почва содержит много углекислого газа, то в ней увеличивается количество более растворимой фосфорно-известковой соли, пригодной для питания растений. В почве, бедной углекислотой, напротив, будет преобладать фосфор в виде труднорастворимого соединения. Это открытие Костычева давало возможность разработать методы перевода недоступного почвенного фосфора в форму, нужную для растений.
Костычев в то время еще не сделал из своих открытий такого вывода, что фосфор как-то должен быть связан с органическим веществом почвы. Но это и понятно: само это вещество он только начал изучать, о роли и работе микроорганизмов почвы он почти ничего еще не знал. Тем не менее его представления о минеральном фосфоре в почвах оказались совершенно правильными и даже в наше время претерпели лишь незначительные изменения.
На шестом съезде естествоиспытателей доклад Костычева с большим интересом слушали такие ученые, как К. А. Тимирязев, А. В. Советов, В. В. Докучаев, известный агрохимик профессор Петровской академии Г. Г. Густавсон (1842–1908) и многие другие. Открытием молодого ученого заинтересовался Д. И. Менделеев и посоветовал ему представить работу о фосфоре в почве как магистерскую диссертацию. Костычев решил воспользоваться этим советом: Ученая степень магистра могла дать ему возможность стать нештатным преподавателем, или, как тогда говорили, приват-доцентом университета, и читать там какой-нибудь специальный курс. Это, естественно, привлекало Костычева. Он очень быстро и с большим успехом сдает магистерские экзамены, проводит новые опыты и подготовляет свою диссертацию, которая в 1881 году была напечатана под названием «Нерастворимые фосфорнокислые соединения почв».
8 ноября 1881 года Костычев защищал свою диссертацию в открытом заседании физико-математического факультета Петербургского университета. По странной игре случая его оппонентами были профессора университета Д. И. Менделеев и А. В. Советов — те самые известные ученые, работы которых он в свое время подверг критике на страницах «Земледельческой газеты».
