На основании именно этого представления лизиметры были заполнены разными почвами, как местными — подмосковными, так и привезенными издалека. На почвах, помещенных в лизиметры, создавались различные растительные формации — еловый лес, луг, степь. Это была невероятно сложная работа; она представляла собой совершенно необычайный эксперимент, проводившийся непосредственно в природной обстановке. Много труда на эту работу положили Вильямс и К. И. Голенкина.

Загрузка лизиметров началась осенью 1904 года прежде всего материнской красной глиной, которая была вынута из специального шурфа рядом с котлованом лизиметров. Ею были загружены два лизиметра — седьмой и девятый. Последний в том же году был засажен еловыми двухлетними саженцами. Но посадка эта оказалась неудачною. Много саженцев не принялось, а оставшиеся живыми очень плохо развивались.

Исследователи принимали все меры, чтобы «оживить» погибавшие саженцы, но все усилия на протяжении двух лет оставались тщетными. «Еловый лес» не получился. В июле 1906 года Вильямс выдернул все оставшиеся в девятом лизиметре растения и засадил площадку под кол новой порцией еловых двухлеток, корни которых перед посадкой окунались в болтушку из местной дерновой почвы. Так было посажено 529 молодых елочек — 23 ряда, по 23 растения в каждом. Все растения хорошо принялись — еловый лес был создан.

Другой лизиметр, заполненный местной глиной, не был засажен ничем. Решили посмотреть, как он постепенно заселится травянистыми растениями за счет заноса семян ветром и птицами. На следующий год на этом лизиметре было только два кустика красного клевера, а еще через год клевера стало больше, появились мышиный горошек, овсяница красная, одуванчик, но особенно много было розового осота. «Растения были роскошные, — вспоминала К. И. Голенкина, — но еще очень редкие». Через несколько лет лизиметр густо зарос злаками, главным образом щучкой.

Другие лизиметры были загружены подзолистой почвой из лесной дачи, почвой с Люблинских полей орошения, луговым торфом Жабенского луга, «каштановым черноземом» из Донской области, подмосковным песком.

Песчаный лизиметр с сосной причинил Вильямсу немало неприятностей, сосновые саженцы погибли, и в мае 1907 года пришлось засадить лизиметр березой и осиной, но выжила только береза.

В каждый лизиметр закладывалось около шести тонн почвы. Легко можно себе представить, чего стоила доставка и засыпка такого количества ее.

Бралась эта почва послойно в мешки, которые были тщательно перенумерованы и затем упаковывались в ящики. Все делалось по точно продуманной инструкции Вильямса. В лизиметры почва загружалась тоже послойно и в том же порядке, то-есть нижние слои вниз, и так постепенно до верхнего.

После закладки лизиметров Вильямс начал собирать все воды, проходившие через почву в каждом лизиметре. Эти воды фильтровались и выпаривались. Получавшийся сухой остаток служил материалом для выделения перегнойных кислот. В течение более чем десяти лет Вильямс собирал лизиметрические воды. Это нужно было потому, что концентрация перегнойных кислот в почвенном растворе некоторых почв была ничтожно малой.

Еще в первой половине прошлого столетия шведский химик И. Я. Берцелиус (1779–1848) открыл три почвенные перегнойные кислоты, которым он дал названия — ульминовая, гуминовая и креновая. Однако сколько-нибудь детальной характеристики этих кислот и условий их образования Берцелиус не дал. Это удалось сделать Вильямсу.

Но Вильямс при своих исследованиях установил и другое. Он доказал, что каждая из этих кислот является соединением, характерным для определенного процесса почвообразования и возникающим под воздействием почвенных грибов и бактерий — аэробных, живущих при свободном доступе кислорода воздуха, и анаэробных, успешно развивающихся лишь в бескислородной среде. Было также установлено, что перегнойные кислоты не являются продуктом простого разложения органического вещества растений, а синтезируются из этого вещества бактериями или грибами.

Подводя итоги своих лизиметрических исследований, Вильямс говорил:

«Мне удалось получить все три перегнойные кислоты Берцелиуса в кристаллической форме. Для получения перегнойных веществ я употреблял большие объемы почвы, по 4 кубических метра каждый. Почвы были заключены в лизиметры с поверхностью в 4 квадратных метра.

…Перегнойные вещества по мере их образования извлекались из почвы чрезвычайно слабым раствором природных почвенных солей в природной воде атмосферных осадков. Растворы перегнойных веществ отличаются весьма малой концентрацией, так что пришлось выпарить в среднем до 5 миллионов кубических сантиметров жидкости для каждого лизиметра, чтобы получить достаточное для исследования количество перегнойных веществ…

…природные перегнойные вещества почвы представляют три кислоты. Названия для них я предпочел сохранить те, которые вошли в историю науки: ульминовая, гуминовая и креновая. Эти три кислоты всегда приурочены к трем типам разложения природного органического вещества:

ульминовая или бурая перегнойная кислота к анаэробному;

гуминовая или черная перегнойная кислота к аэробному бактериальному;

креновая или бесцветная перегнойная кислота к грибному.

Всегда при наличии этих процессов в почвах появляются соответствующие кислоты».

Опираясь на исследования Пастера, на важнейшие работы русских микробиологов С. Н. Виноградского и В. Л. Омелянского, на ценнейшие мысли П. А. Костычева о роли микроорганизмов — бактерий и грибов — в разрушении в почве мертвых остатков организмов, Вильямс создал свою теорию почвообразования в различных природных условиях, определяющих тот или иной тип превращений органического вещества в почве. Он установил, что под пологом леса, особенно хвойного, в почве создаются условия преимущественно для развития грибного процесса разложения органического вещества. В опавшей листве деревьев содержится много дубильных веществ и смол, которые сильно препятствуют жизнедеятельности бактерий. При грибном процессе образуется креновая кислота, способная разрушать самые стойкие минералы почвы и вымывать их в более глубокие ее слои. В верхних горизонтах такой типично лесной почвы накопляется один лишь бесплодный кремнезем, цветом похожий на золу, почему лесные почвы и получили в народе название подзолистых. Так Вильямсом была вскрыта биологическая сущность одного из почвообразовательных процессов — подзолистого.

Другие перегнойные кислоты, выделенные и изученные Вильямсом, имели первостепенное значение при других почвообразовательных процессах — дерновом, болотном, степном.

При смене леса лугом на почве поселяются многолетние злаки и бобовые, создающие условия для развития дернового почвообразовательного процесса. Особенно интенсивно протекает дерновый процесс в свою первую — луговую — стадию. Злаковые и бобовые травы, совместно произрастая на почве, обогащают ее деятельным перегноем и кальцием, перекачиваемым бобовыми из нижних слоев почвы. Деятельный перегной склеивает почву в структурные комочки, а кальций придает этому клею особенно прочный характер, ибо под влиянием кальция свежий перегной «осаждается» — переходит в нерастворимое состояние. При длительном существовании луговой стадии дернового процесса она может перейти в болотную.

Каждый период почвообразовательного процесса и каждую его стадию Вильямс расшифровывал биологически, показывал, как один процесс переходит в другой. Знание этих переходов подсказывало и пути направленного воздействия на почву с целью ее переделки, создания условий, благоприятствующих тому почвообразовательному процессу, который является самым ценным с точки зрения земледелия. Таким процессом был дерновый процесс — его луговая стадия. В этой стадии почва приобретает водопрочную мелкокомковатую структуру — основу высокого почвенного плодородия.

Уделяя огромное внимание педагогической работе, изучению лугов, постоянным экспериментальным исследованиям в лаборатории, наблюдениям на своем питомнике трав, Вильямс не имел достаточно времени для написания полного курса почвоведения и земледелия. Но он мечтает об этой большой и важной работе, исподволь готовит к ней материалы, печатает отдельные научные статьи, которые все ближе и ближе подводят его к этой заветной цели. Из числа этих статей особенно большое значение имеет написанная в 1912 году и опубликованная в 1913 году большая работа Вильямса «Почвы Люблинских полей орошения».