Организация полей орошения в западноевропейских городах не всегда была на высоте, и Вильямс замечает это. В Париже, где на орошаемых участках были самые разнообразные культуры — полевые, луговые, огородные и даже плодовые, орошение совершенно не регулировалось и не отличалось никакой правильностью: «орошает всякий, когда ему покажется нужным и сколько ему покажется нужным», — писал Вильямс.

Теоретические достижения западноевропейской науки в объяснении санитарного значения разных почв были — невелики. Вильямс убеждается, что позаимствовать полностью заграничный опыт в этом деле не удастся. Организацию полей орошения под Москвой придется сочетать с разработкой научных приемов ведения хозяйства в данных условиях и изучением почвы как среды очищения сточных вод.

По возвращении из-за границы Вильямс становится ответственным руководителем Люблинских полей орошения. Он быстро создает здесь образцовое хозяйство: оно имело несколько тысяч десятин земли, которые использовались под огородные культуры, травы, корнеплоды. Были введены севообороты, практиковалось известкование почв. В хозяйстве было заведено свое стадо, для которого имелась превосходная кормовая база.

Вильямс проводит самое детальное изучение почвенного покрова и глубины залегания почвенных и грунтовых вод в районе. Люблино; он составляет подробные карты полей и приступает к таким работам, которые повысили бы эффективность полей: закладываются дренажи, участки с кислыми почвами известкуются для повышения их биологической активности. В то же самое время, не забывая об эффективной очистке сточных вод, нужно было так вести хозяйство, чтобы оно не приносило убытка. И Вильямс справился со всеми этими задачами. В течение пятнадцати лет руководил он люблинским хозяйством, и оно все время крепло.

Может показаться странным, для чего Вильямсу — крупному ученому — понадобилось тратить время на такое, казалось бы, неблагодарное для научного деятеля дело, как руководство полями орошения. Однако это легко объяснить, если учесть те научно-исследовательские работы, которые Вильямсу удалось провести именно на Люблинских полях.

Вильямс быстро пришел к выводу, что «обезвреживание сточных вод почвой есть процесс, в основе которого лежит ряд биологических явлений, — обезвреживание является результатом жизненных процессов известных микроорганизмов, населяющих почву». И вот на Люблинских полях развертываются работы по изучению различных микроорганизмов почвы, их деятельности в различных условиях, проводятся многочисленные анализы сточных и подземных вод, сопоставляется содержание растворимых органических веществ в тех и других водах. Здесь Вильямс — начал глубокое изучение вопросов биологии почвы, которое он продолжал впоследствии не только на Люблинских полях, но л в Петровско-Разумовском — в своей лаборатории, а также и под открытым небом с помощью особой построенной им установки — лизиметров.

Вильямс все яснее понимает значение комковатой структуры почвы — этого главного условия получения высоких и устойчивых урожаев. Он устанавливает, что решающее значение три этом имеет не механическая прочность структуры, а ее водопрочность, то-есть такое ее состояние, когда она стойко противостоит размывающему действию воды. Вильямс конструирует прибор для определения водопрочности структуры, изучает это свойство в почвах разных типов и из различных районов России. Когда было накоплено много наблюдений, он увидел, что водопрочность структуры у одних почв большая, а у других ничтожная. «Насколько велики бывают колебания прочности разных почв, — писал Вильямс, — видно из того, что, например, почва крестьянских (да и большинства помещичьих) полей Полтавской, Тульской или Московской губерний размывается уже через 15–30 минут, а почва заливных лугов размывается лишь через 7 — 14 и даже 20 суток».

Вильямс начинает приближаться и к пониманию причин, вызывающих водопрочность почвенной структуры. Он показал, что прочность структуры зависит от перегноя, но не всякого, а только «свежеобразовавшегося» — молодого. «Если мы возьмем прочную почву, — говорил Вильямс, — высушим ее и разотрем в пыль, затем опять смочим ее водой и вновь образуем из нее комочки, то эти новые комочки уже оказываются совсем непрочными и опять приобретают прочность только после того, как несколько месяцев пролежат спокойно во влажном состоянии и при доступе воздуха; вероятно, при этих условиях под влиянием биологических процессов в почве образуется новое количество свежеобразовавшегося перегноя. Поэтому понятно, почему на практике мы так боимся распыления почвы, — мы при этом разрушаем ее прочность, лишаем ее главного признака культурности».

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.