Совершенно не одобряли Костычевы и увлечения художника религиозными сюжетами, считали, что он напрасно растрачивает свой талант на такие картины, как «Распятие». Остались они во всем прежними Костычевыми, простыми, радушными, демократичными.
Так воспитывали и детей. Сергей уже в первый год своего поступления в университет был исключен оттуда за участие в студенческих беспорядках. Ольга, интересовавшаяся медициной, стала впоследствии фельдшерицей и работала в земской больнице в глухом захолустье Смоленской губернии.
Костычев считал, что, несмотря на большие успехи русской агрономии, очень многие важные вопросы сельского хозяйства еще не решены. Нужны глубокие научные исследования по удобрению почв, их обработке, подбору и выведению лучших сортов культурных растений. Все эти исследования, по мысли ученого, должны проводиться комплексно и в разных природных зонах России. Необходимо создать особую научную агрономию для русского севера, совсем другую — для черноземной полосы, не следует забывать и засушливого юго-востока, и субтропического Закавказья, и южного берега Крыма. А для этого один путь — создание опытных станций.
Начав свою работу в департаменте земледелия, ученый составляет широкий, обоснованный проект сети опытных станций и полей. Они должны, по его мысли, не только развивать дальше агрономическую науку, но и служить связующими звеньями между наукой и практикой, через них лежит «тот путь, по которому добытые наукой данные и истины могут проникнуть в обширную разнохарактерную область практики».
На первое время Костычев проектировал устройство на государственные средства восьми опытных станций: четырех в нечерноземной полосе (в губерниях Петербургской, Вятской, Московской и Смоленской) и четырех в черноземной полосе (в Тульской, Екатеринославской, Херсонской и Самарской губерниях). По намечавшемуся плану все эти станции должны были иметь хорошее оборудование, лаборатории, опытные поля. Предложение Костычева широко обсуждалось на заседаниях сельскохозяйственного совета, созданного при Министерстве земледелия, и в печати. Передовые ученые, мечтавшие о развитии опытного дела, — В. В. Докучаев, К. А. Тимирязев, видный метеоролог П. И. Броунов (1852–1927), профессор П. Ф. Бараков (1858–1919) и другие — горячо поддерживали костычевский проект. Они, с своей стороны, предлагали усилить на станциях чисто научные исследования почв, местного климата, условий питания растений. Костычев был очень доволен тем широким обсуждением, которому подвергся его проект.
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.