По условиям работы Вильямс должен был собрать сведения об урожайности хлебов на разных почвах. Он подробно расспрашивал крестьян, изучал статистические данные за многие годы и в конце концов о «красной земле» Нижней Ошмы был вынужден записать в своем отчете: «Высший урожай 48 пудов ржи, низший — 18 пудов ржи с 1 казенной десятины». Эти жалкие цифры поразили Вильямса: ведь на опытном поле Академии почти при таких же почвенных и климатических условиях, как и в Мамадышском уезде, получали по 135 пудов ржи с десятины. Вильямс воочию убеждался, что русская агрономическая наука со всеми ее достижениями бессильна принести крестьянству ощутимую пользу. Из разговоров с крестьянами Вильямс постепенно выяснял, что причина такого состояния их хозяйства заключается не в нежелании крестьян его улучшать, что причины являются более глубокими, общими для всей России.
С невеселыми думами покинул Вильямс Нижнюю Ошму. Он едет дальше по Арскому тракту в деревню Абди. Почва здесь была «серая земля», глубиной всего в 4 вершка; она тоже никогда не удобрялась с тех пор, как лет шестьдесят тому назад была расчищена из-под леса. Об урожайности на крестьянских полях этой деревни Вильямс записал: «Высший урожай 63 пуда, низший — 3 пуда ржи на 1 казенную десятину». 3 пуда ржи с десятины! Это было позорно. Это звучало приговором существовавшим в России порядкам.
Вильямс посещает ряд сел и деревень Кляушской, Асан-Илгинской, Ядыгерской и Нижне-Сунской волостей. Везде он видит одну и ту же картину — урожаи хлебов в 12, 16, 21 пуд с десятины были преобладающими на разных почвах, культура земледелия везде находилась на крайне низком уровне, удобрения почти нигде не применялись.
В издававшемся в конце прошлого века Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона о Мамадышском уезде было сказано: «Сельское хозяйство находится не в цветущем состоянии». Действительно, о «цветущем» состоянии не приходилось и думать.
Множество сложнейших вопросов русского сельского хозяйства возникало перед Вильямсом во время его поездок по Мамадышскому уезду. В сельском хозяйстве этого глухого, отсталого, медвежьего угла отражались все противоречия пореформенной русской деревни, с ее пережитками крепостничества, неслыханной эксплуатацией трудящегося крестьянства, обнищанием и вымиранием деревни, деградацией крестьянского сельского хозяйства. Что тут может делать агроном? В существующих условиях он крестьянину не нужен, а итти на работу к помещику в какую-нибудь «образцовую» экономию — образцовую по выжиманию всех соков из крестьянства — Вильямс не мог: слишком велика была у молодого агронома ненависть к вчерашним владельцам крестьянских душ.
То, что Вильямс увидел в Мамадышском уезде, только укрепило его в отрицательном отношении к существовавшему строю, но выхода из создавшегося положения он еще не видел.
Этот выход — выход революционный — становился все более ясным другому юноше, попавшему в это же время в один из глухих уездов Казанской губернии: в 1887 году студент Казанского университета Владимир Ильич Ульянов был исключен за революционную деятельность из университета и выслан в глухую деревню Кокушкино, где он, так же как и Вильямс, своими глазами увидел бедственное, бесправное положение русского крестьянина. Ленин избрал путь революционера. Молодому выпускнику Петровской академии, избравшему путь ученого-агронома, становилось ясно одно: надо развивать русскую агрономическую науку, но не академически, в тиши лабораторий и маленьких опытных полей, — нужно найти способ обратить выводы науки на пользу родного народа.
Объехав весь уезд, Вильямс собрал много почвенных образцов; естественно, в этом лесистом крае он не нашел черноземов. Чаще всего тут встречались серые лесные земли — глинистые, суглинистые и супесчаные, Эрозия, или смывы почвы, достигала в Мамадышском уезде «огромного развития: площадь смытых в разной степени почв составляла здесь около одной пятой всей территории.
Вильямс ознакомился с возделыванием главнейших культур края, прежде всего озимой ржи, а также овса, ячменя, гречихи, льна, конопли. Он обратил особое внимание на отсутствие в уезде пшеницы, сеяных трав, картофеля, как будто бы он каким-то чудом попал в XVII столетие, когда этих культур действительно во многих районах России не знали.
Обогащенный коллекцией почвенных образцов и большим гербарием, набравшись разнообразных впечатлений о природе и сельском хозяйстве казанского Заволжья, Вильямс вернулся обратно в Москву. Главный итог первого путешествия Вильямса заключался в том, что «мамадышские порядки» заставили Вильямса глубоко задуматься над жизнью и судьбами русской деревни.
В Москве Вильямса ждал тяжелый удар. Его сестра Маша, девушка семнадцати лет, умирала от туберкулеза. Она заболела еще раньше, но сейчас недуг обострился, и только немедленный выезд на юг мог спасти ее. Но это оказалось совершенно невозможным ввиду крайней нужды, царившей в семье в это время. Не было даже средств, чтобы создать больной хорошие условия в Москве. В том же 1887 году Маша умерла.
Тяжелое положение семьи и смерть сестры сделали Вильямса взрослее, строже к себе и к окружающему. Невероятная нужда русского крестьянства, которую он увидел в Казанской губернии, была ему понятна и близка.
Осенью 1087 года он снова в Академии, работает на опытном поле и обрабатывает материалы своей первой научной поездки. Посоветовавшись с Фадеевым и Густавсоном, он выбирает восемь наиболее типичных почв Мамадышского уезда для лабораторного изучения. Механический состав всех образцов он определяет по методу Фадеева, перегной — сжиганием в струе кислорода в приборе Густавсона. Вильямс работает в лаборатории не первый год, но для большей точности он проводит все анализы по два раза, чтобы исключить всякую, даже случайную ошибку. Работа шла медленно. Механический анализ по методу Фадеева был громоздким и несовершенным: он отнимал огромное количество времени даже у Вильямса, который, удивляя всех других работавших в лаборатории, умел вести много анализов сразу. Много времени уходило и на выполнение ассистентских обязанностей — ведь они теперь были единственным средством существования Вильямса. С января по апрель 1888 года нештатный ассистент получил 150 рублей вознаграждения. Ему эта сумма показалась очень крупной: можно было больше помогать родным.
К апрелю аналитическое исследование мамадышских почв было закончено. 16 апреля 1888 года Вильямс представил свою работу в Совет Академии и получил степень кандидата сельского хозяйства.
Первоначальная надежда Вильямса связать производительность мамадышских почв с их химическим и механическим составом не осуществилась. Судить о плодородии почв только по этим аналитическим данным было нельзя.
Эти данные ничего не говорили о влажности почвы и ее изменении во времени, так же как и об изменении количества питательных веществ, доступных растению в разные периоды его жизни.
И Вильямс это понял. Он так писал о плодородии почвы в своем кандидатском сочинении: «Вопрос этот слишком широк и сложен для того, чтобы я имел смелость поставить его задачей для моих исследований. Все, что я пока могу сделать в этом отношении, сводится к тому, чтобы по мере сил содействовать накоплению материала, необходимого для его разрешения».
Но Вильямс уже в этой своей исследовательской работе пришел к твердому выводу, что вопрос о плодородии почвы является важнейшим вопросом агрономии и почвоведения.
В том же 1888 году эта работа Вильямса под названием «Исследование восьми почв Мамадышского уезда Казанской губернии» была напечатана в третьем выпуске «Известий Петровской земледельческой и лесной академии».
Вильямс уже давно выделялся своими способностями среди студентов Академии. Все свободное время проводил он либо на опытном поле, либо в тесной лаборатории кафедры земледелия. А положение на кафедре земледелия было в это время крайне неблагополучным. Юнге, в полном согласии с министерскими чиновниками, добился увольнения «строптивого» Фадеева, выдающегося педагога и талантливого исследователя, совершенно не считаясь с тем, что Академия оставалась вообще без преподавателя по ведущей дисциплине. Чтобы найти хоть какой-нибудь выход из создавшегося положения, Академия пригласила временно читать курс общего земледелия преподавателя Московской земледельческой школы А. П. Адриановского.