На втором курсе начиналось преподавание земледелия с некоторыми элементами почвоведения. Профессор А. П. Людоговский, который читал земледелие, стремился связать свой предмет с практикой, с работами в поле. В 1867 году он устроил небольшой питомник сельскохозяйственных растений, занимавший первоначально площадь всего в несколько десятков квадратных саженей. Весной следующего года профессор привлек к своим опытам студентов, в том числе и Костычева. Они расширили питомник до 1/10 десятины, разбили площадь на маленькие гряды, имевшие 1,5–2 сажени в длину и 1,5 аршина в ширину. На каждой грядке высевалось одно какое-нибудь растение. Студенты и профессор тщательно ухаживали за растениями, рыхлили почву и часто проводили прополку: сорняков на грядках не было.
В питомнике высеяли много растений: из зерновых хлебов по нескольку сортов овса и ячменя, 3 сорта ржи и 14 сортов пшениц — иностранных и русских, в том числе прославленные южнорусские пшеницы — кубанку, белотурку и арнаутку. В 1868 году все эти сорта пшеницы «росли превосходно и дали совершенно зрелые нормальные зерна между 15 и 20 августа». Даже многие сорта теплолюбивой кукурузы вполне вызрели на опытном участке. Кроме перечисленных растений, в питомнике были еще посеяны разные сорта проса, гречихи, гороха, фасоли, чечевицы, льна, подсолнечника, мака и других культур. Не были пропущены и кормовые травы. Радовали глаз дружные посевы красного и белого клевера, люцерны, эспарцета, люпина, сераделлы. Это был настоящий музей культурной флоры.
Костычев помогал Людоговскому проводить наблюдения в питомнике. Он отмечал время цветения растений, образования плодов и другие фазы в их жизни, измерял высоту в разные сроки, проводил скашивание, высушивание, взвешивание урожая. Он на личном опыте убеждался в том, что выращивание кормовых трав из семейства бобовых прекрасно удается здесь, под Петербургом: для этого нужно только желание и немного умения. И, однако, во время своих путешествий по Новгородской губернии Костычев видел посевы трав в больших размерах только в одном имении.
Организуя свой питомник, Людоговский преследовал, как он выражался, три цели: учебную, научную и практическую. Учебная цель состояла в том, что студенты и другие лица, интересующиеся хозяйством, могут познакомиться «с главнейшими хозяйственными растениями, их общим видом и ростом на весьма небольшом пространстве». Наблюдения за развитием и урожаем растений в годы с различными климатическими условиями и сопоставление этих наблюдений могли дать ценный научный материал. Через несколько лет можно будет рекомендовать хозяйствам новые сорта культурных растений, приспособленных к здешнему климату, — в этом будет состоять практическая сторона дела.
Людоговский придавал своим опытам очень большое значение, не видел их недостатков. Из-за этого произошел первый научный спор Костычева с его учителем. Молодой агроном считал, что размер каждой опытной делянки слишком мал, и потому получаемые результаты ненадежны. Костычеву не нравилось также, что уход за всеми растениями одинаковый, а ведь их требования к условиям жизни могут быть очень различны. Поэтому значение питомника сводится почти целиком к его учебной, демонстрационной роли. Людоговский совершенно не соглашался с этой критикой. Он был в то время большим поклонником немецкого химика Юстуса Либиха и считал, подобно последнему, что изучение требований растений к условиям жизни можно вполне успешно проводить даже в маленьких горшках или банках с водой, а половина квадратной сажени природной почвы — это уже такое пространство, которое гарантирует полную точность опытов. Людоговский в своих статьях, напечатанных в «Земледельческой газете», призывал к организации таких же наблюдений и опытов в других местах, убеждая, что для этого совсем не обязательны большие участки земли или сколько-нибудь значительные средства.
Профессор Людоговский постепенно полностью подпадал под влияние одностороннего химического учения Либиха о плодородии почвы. Это учение внешне — в теории — выглядело стройным. Оказывается, для того чтобы обеспечить наилучшие условия развития культурных растений, достаточно узнать, какие вещества и в каких количествах извлекает растение из почвы, и полностью «вернуть» эти вещества в почву. Это мнение Либиха и многочисленных его последователей получило в науке название «теории полного возврата». Если почве не будет возвращено то, что у нее взято, то рано или поздно наступит истощение. Либих полагал, что «полный возврат» возможен только в условиях мелкого сельского хозяйства, но одновременно он сам понимал, что в этих условиях исключается широкое применение достижений науки и техники. Либих и его ученики не видели никакого выхода из этого противоречия.