Но Вильямс не знал еще в то время быстрого и верного способа восстановления структуры у почв, утративших ее. Ему были известны наблюдения П. А. Костычева, А. А. Измаильского, И. Н. Клингена и других русских ученых над постепенным восстановлением почвенной структуры на залежах под влиянием многолетней злаковой растительности, но для этого нужно было 15–20 лет. Поэтому Вильямс, продолжая работу по выяснению более быстрых методов восстановления структуры почвы, направил свои силы на разработку приемов ее сохранения. Он рекомендует глубокую качественную обработку почвы, севообороты и уже в конце девяностых годов настаивает на применении при вспашке плуга с предплужником, то-есть таким приспособлением, которое позволяло бы выворачивать при вспашке на поверхность почвы нижний, более структурный слой, а верхний, разрушенный и распыленный, сбрасывать на дно борозды, где в условиях более высокой влажности и под воздействием биологических процессов структура почвы могла бы хоть отчасти восстановиться.

Вильямс придавал огромное значение хорошим почвообрабатывающим орудиям. Он ратовал не только за применение предплужников, но и за переход на хорошие, правильно сконструированные для разных целей плуги. При поездках за границу он особое внимание обращал на новейшие сельскохозяйственные машины и высоко оценивал конструкции Р. Сакка, которые он видел в Германии.

В старой Петровке читался чисто описательный курс сельскохозяйственного машиноведения. Вильямс называл этот предмет «областью бессистемного эмпиризма, фантазии и эклектики». В Московском сельскохозяйственном институте отдельного курса по машинам не было, и этот раздел входил как составная: часть в курс общего земледелия, читаемый Вильямсом.

Излагая учение о сельскохозяйственных машинах и тесно увязывая его с почвоведением и земледелием, Вильямс добивался организации специальной кафедры по машинам. В 1897 году из кафедры Вильямса была выделена новая кафедра — учения о сельскохозяйственных машинах и орудиях.

Для заведования новой кафедрой по предложению Вильямса был приглашен молодой энергичней ученый инженер-механик Василий Прохорович Горячкин (1868–1935). Находясь на протяжении многих лет своей работы в Петровке под влиянием Вильямса, Горячкин создал постепенно совершенно новый курс теория сельскохозяйственных машин и орудий. Уже в 1898 году Горячкин в результате испытания разных плугов, проведенного на Бутырском хуторе, написал первую свою научную работу «Теория отвала». Для проведения экспериментов у Горячкина не было долгое время своей лаборатории, и он проводил сначала опыты на небольших моделях, испытывая их в ящике с песком у себя на квартире. После этого Горячкин проводил эксперименты у себя в саду с ручным плужком, лично им сконструированным.

За время своей сорокалетней работы в Петровке — Тимирязевке Горячкин создал современную теорию сельскохозяйственных машин, снискавшую мировую известность. Начались эти работы первоначально под руководством Вильямса и на всем их протяжении постоянно консультировались им.

Первый восьмилетний период работы Вильямса в Московском сельскохозяйственном институте оказался необычайно плодотворным. За это время Вильямс стал виднейшим ученым, крупнейшим авторитетом в самых широких вопросах русского сельского хозяйства. Он шел по пути создания нового, биологического почвоведения и нового, научного земледелия, опирающегося на все достижения современного естествознания.

Вильямс посвящал все свои силы делу создания научного земледелия, но не земледелия вообще, а прежде всего русского земледелия. А для этого нужно было знать Россию во всем величайшем многообразии ее природы.

К 1896 году Вильямс хорошо был знаком со многими уголками России, как близкими к Москве, так и очень далекими от нее, но лучше всего он знал нашу северную нечерноземную полосу: ее почвы, растительность, геологическое строение, рельеф, особенности сельского хозяйства. Черноземные степи России — житница страны — были Вильямсу известны не так хорошо, не во всех деталях.

И Вильямс начинает систематическое широкое изучение черноземной России, продолжая одновременно углублять свое знакомство с природой всей страны в целом. Для этого он старается использовать все возможности, которые только ему представлялись. Начиная с 1897 года, в институте стали практиковаться ежегодные летние поездки студентов в «образцовые хозяйства». Руководителями этих поездок были Вильямс, Вернер, Прянишников.

Вильямс со студентами посещает Стебута в его образцовом хозяйстве «Кротком» и еще раз детально изучает это хозяйство: здесь был выведен «стебутовский» сорт ржи, обладавший рядом хороших качеств, но слабо проникавший в другие хозяйства. Культурные приемы, практиковавшиеся Стебутом, тоже почти не находили подражания у окрестных крестьян. Бедность, малоземелье, безлошадность, жесточайшая эксплуатация помещиками и кулаками, полное бесправие не давали крестьянам возможности улучшать свое хозяйство.

Вильямс убеждался, что «Кроткое» — это скорее не опытное поле, а кунсткамера, музей, где показывают те приемы хозяйства, которые совершенно не применяются средним и беднейшим крестьянством. И в то же время в «Кротком» было много такого, что при внедрении в крестьянское хозяйство дало бы, несомненно, большой эффект.

Стебутовское хозяйство не было исключением. Существовали и некоторые другие образцовые хозяйства, которые тоже жили изолированно от всего окружающего и не имели на него влияния. Особенно в этом отношении было интересно имение И. И. Шатилова, находившееся в селе Моховом Новосильского уезда Тульской губернии.

Здесь Вильямс бывал неоднократно и высоко оценивал достижения Шатилова.

В Моховом прежде всего поражали блестящие результаты многолетних опытов по разведению леса в степи. Первые посадки леса были проведены в Моховом еще в 1806 году, а к концу пятидесятых годов здесь было уже 130 десятин искусственно насаженного леса. Разводили больше всего сосну, ель, лиственницу, березу, клен, липу, вяз; все деревья, и хвойные и лиственные, росли хорошо.

Шатилов стал замечать, что урожаи хлебов, выращенных поблизости от деревьев, посаженных полосами, выше и менее подвержены колебаниям по годам, чем в открытой степи. Под влиянием этих наблюдений, начиная с восьмидесятых годов, в Моховом было начато уже настоящее полезащитное лесоразведение: полосы деревьев определенной ширины размещались на самих полях на том или другом расстоянии друг от друга. Эффект прлучился разительный: в 1886 году незащищенное ржаное поле дало 152 пуда с десятины, а защищенное — 245 пудов! Под влиянием посаженного леса уменьшились смывы почв, затихло оврагообразование, улучшился водный режим всей окружающей местности.

Вильямс, приезжая со студентами в Моховое, принимался за изучение здешних черноземов, лугов по реке Раковке, хлебных полей, многопольных севооборотов и посаженных лесов. Они привлекли особое внимание Вильямса, писавшего: «Насколько велико влияние леса на сохранение влажности в почве, красноречиво говорят те результаты, которые достигнуты в имении Шатилова Тульской губернии, где более 80 лет производится облесение местности; здесь насчитывают массу ключей, дающих до 11 тысяч ведер в день на 1 десятину».

В Моховом существовал хороший лесной питомник — он располагался на берегу Раковки и орошался из нее. Анализируя работу питомника, легко было увидеть, как несложно организовать в черноземной полосе России выращивание саженцев лесных пород.

Большая площадь в имении засевалась местным «шатиловским» овсом, который давал до 25 четвертей зерна с десятины (около 225 пудов). У Шатилова были также превосходная ферма породистого рогатого скота и конский завод. Действительно, хозяйство велось образцово, но вокруг, на землях соседних деревень, на крестьянских полях ничего этого не было: о севооборотах на маленьких клочках земли нечего было и мечтать, лесов никто не сажал, на их долю во всем уезде вообще приходилось всего 6½ процентов площади, но это были естественные массивы сплошного леса.