15 июня 1867 года Костычев в своем заявлении на имя Петерсона еще раз просил о переводе в студенты и прилагал свидетельство от 7-й гимназии о своих познаниях в предметах, составляющих полный гимназический курс. Директор института тоже несказанно удивился и уже на следующий день на заседании совета института оформил перевод вольнослушателя Костычева в студенты.
За эти дни Костычев так устал, что с большой радостью согласился на предложение Карельщикова поехать с ним в Новгородскую губернию для сбора и изучения местных растений.
В шестидесятых годах прошлого века растительность многих частей России была изучена еще очень слабо. При этом растительность окраин нередко была известна лучше, чем губерний, близких к обеим столицам. Карельщиков обратил на это внимание и решил с помощью студентов организовать исследование петербургской и новгородской флоры. Исполняя этот план, он и отправился летом 1867 года в сопровождении Костычева и студента Александра Краузе в Новгородский уезд, на берега Волхова.
Маленькая экспедиция, вооружившись небольшими лопаточками, ножами, гербарными сетками и прочим несложным полевым оборудованием, отправилась по Николаевской (ныне Октябрьской) железной дороге до станции Чудово. Здесь «выгрузились» и двинулись на юг к долине Волхова. Бегло осмотрев левый берег реки, экскурсанты переправились на правый берег, который в ботаническом отношении представлял особый интерес.
Эти места являлись в то время наиболее дикими. Здесь было много болот. Даже железная дорога почти сплошь пролегала по торфяникам, достигавшим иногда нескольких верст длины и средней толщины торфяного слоя не менее сажени. Особенно большими и мощными торфяниками славились окрестности станций Волхово и Гряды. На болотах можно было собрать интересные образцы влаголюбивых растений из числа цветковых, а также папоротники, хвощи, мхи и водоросли. По более высоким участкам, по соседству с болотами, сохранились кое-где густые леса с преобладанием хвойных деревьев — ели и сосны. Это была настоящая восточноевропейская тайга.
Сырой климат болотистой местности вызвал у Сергея Петровича резкое обострение болезни, у него пошла горлом кровь. Студенты решили срочно увезти его в Петербург, к матери и сестрам. Но Карельщиков категорически воспротивился: он поедет один, а студенты останутся продолжать работу и доведут ее до конца.
Студенты остались одни; целыми днями бродили они по лесам, полям и болотам, разыскивая новые растения, вечером заходили в деревню и у кого-нибудь из крестьян просились на ночлег. Часто они отходили далеко от реки, но особенно тщательно исследовали долину Волхова. Здесь их донимали комары, которыми была знаменита Волховская долина. Но студенты старались не обращать внимания на комаров: с опухшими от укусов лицами они неутомимо собирали все новые и новые растения и успешно продвигались вверх по Волхову.
Они посетили село Званку. Выше по Волхову, в шести верстах от Званки, на левом берегу реки было расположено большое имение помещика Тыркова «Вергежа». Здесь был заведен восьмипольный севооборот и производились кое-какие опыты посева разных трав на лугах для их улучшения. Костычев собрал в этих местах хорошие образцы диких и сеяных луговых трав и сделал некоторые наблюдения над условиями их роста.
Нагруженные обильной добычей, студенты наняли лодку, спустились вниз по Волхову до Чудова и отсюда уже на поезде возвратились в Петербург. Зимой они разобрали собранные ими растения, определили их, откинули дублеты. Так был создан первый гербарий новгородской флоры. Преемник Карельщикова по кафедре ботаники в Земледельческом институте выдающийся русский ученый Иван Парфеньевич Бородин (1847–1930) писал Ь 1905 году:
«…в архиве имеется список 250 растений, собранных студентами П. Костычевым (известным впоследствии профессором нашего института) и А. Краузе в Новгородской губернии… по правому берегу Волхова». В институте в то время имелась отдельная новгородская коллекция Костычева и Краузе с общей надписью: «Новгородские растения. 250 экземпляров. Дар».
Работа по сбору и определению такого большого числа новгородских растений принесла Костычеву немалую пользу: он стал хорошим флористом, овладел методикой самостоятельного ботанического исследования. Это явилось завершением глубокого и всестороннего изучения Костычевым ботаники под руководством его учителей — Н. И. Анненкова и С. П. Карельщикова.