Изучив и сопоставив историю западноевропейского и российского земледелия, Менделеев пришел к выводу, что опыт западного сельского хозяйства часто неприменим к русским климатическим и экономическим условиям. Причин тому несколько. Прежде всего различие климата: «Большинство полей Западной Европы страдает избытком сырости, а большинство наших страдает недостатком сырости, засухами». Затем, в противность Западной Европе, сравнительно слабое развитие скотоводства в России было причиной систематической нехватки навоза, а ограниченное сеяние кормовых трав приводило к тому, что навоз этот был беден минеральными веществами. Наконец, в течение многих десятилетий в почвы Западной Европы было внесено огромное количество извести. В результате «наши земли, говоря не о черноземе, если страдают чем по своей природе, то отнюдь не недостатком чего-либо в отдельности, а преимущественно всеобщим недостатком правильного удобрения и обработки… недостатком того, что называют зрелостью или спелостью почвы. Если бы наша почва была действительно хорошо обработана и качества питательных веществ отвечали бы их количеству, то… мы увидели бы, что наша почва не хуже, если не лучше, многих из известных европейских почв; но в том-то и дело, что нашим почвам недостает, так сказать, тамошней отделки».

Постепенно перед Менделеевым все полнее и полнее раскрывался объем исследовательской работы, необходимой для решения основной научной задачи земледелия, которая, по его мнению, сводилась к тому, чтобы «по химическому исследованию почвы… суметь судить об необходимых для почвы удобрении и обработке, как имеют возможность судить по анализу руды о способе добытая из нее металла, о качестве и количестве плавней и топлива…». И когда Менделеев понял, что одному ему с такой огромной работой не справиться, он решил обратиться в Вольное экономическое общество…

Весной 1764 года впервые собралась группа ученых и любителей науки, которые спустя год составили ядро первого отечественного научного общества. В предуведомлении к своим трудам «Вольное экономическое общество к поощрению в России земледелия и домостроительства» спрашивало у своих читателей: «При неусыпном старании всех просвещенных в Европе народов о приведении себя направлением земледелия в лучшее состояние, что может быть нужнее и полезнее, как к таковой же ревности побудить любезных сограждан наших?» Ясно, что ответа на этот риторический вопрос основатели общества от читателей не требовали и сразу же переходили к провозглашению целей общества, которых было три. Во-первых, «все полезные и новые земледелия и экономии, чужестранными народами поныне изобретенные и опытами уже изведанные материи, прилежно сообщать любезным своим согражданам». Во-вторых, производить «собственные опыты и об успехах их народ уведомлять». И в-третьих, «подробно узнать внутреннее состояние здешних провинций, открыть их недостатки и изыскать полезные к отвращению тех недостатков средства».

К тому времени, когда Менделеев, вступив в Вольное экономическое общество, предложил свою программу сельскохозяйственных опытов, из 284 конкурсных задании, опубликованных за 100 лет в трудах общества, более двухсот было посвящено сельскому хозяйству. Основная масса работ была сделана на хорошем уровне и на важные темы: «Какой хлеб прибыльнее для России?», «Указать средства против скотского падежа», «О пользе минералогии в отношении к хлебопашеству» и др. Благодаря таким исследованиям Вольное экономическое общество завоевало отличную репутацию, и 3 апреля 1866 года доклад профессора Менделеева слушали люди, весьма искушенные в сельском хозяйстве.

«Мнения, высказываемые то о природном богатстве наших полей, то об истощении их фосфорною кислотою, то о недостатке в них деятелей, растворяющих и способствующих выветриванию, — говорил Дмитрий Иванович, — эти мнения не имеют еще твердой опытной опоры. Окрестности С.-Петербурга, Москвы и Казани суть первые пункты, которые должно выбрать для суждения о различии условий для перехода с запада на восток…

Если эти первые опыты будут произведены в разнообразных местностях, если они будут соединены с метеорологическими наблюдениями и анализом почвы и продуктов, если, вообще, будут сделаны с надлежащею полнотою и притом в течение нескольких лет, то наука получит запас сведении, равного которому по полноте еще нет до сих пор… Выгоды для России от таких опытов столь очевидны, что мне не приходится и говорить о них».

Вольное экономическое общество, одобрив менделеевский план, ассигновало на опыты около 7 тысяч рублей, и Дмитрий Иванович тщательно, до мелочей разработал программу, по которой должны были работать исследователи на всех опытных полях. Чтобы результаты опытов были сопоставимы, Вольное экономическое общество на свои средства приобрело посевной материал — семена ржи и овса, — который высылался бесплатно лицам, пожелавшим добровольно принять участие в опытах. Общество приняло на свой счет и химический анализ присылаемых образцов почв, а полученный урожай шел в пользу землевладельцев, предоставивших участки для опытов. Менделеев предлагал сделать опыты в шести местностях России в течение нескольких лет, но денег общества хватало только на проведение работ в двух местах и в течение трех лет. А надежды на хозяев, которые пожелали бы произвести опыты на свой счет, не оправдались. За это взялся всего один человек — Дмитрий Иванович Менделеев. Да еще член Вольного экономического общества И. Брылкин согласился в своем имении провести исследования на счет Петербургского университета. Весной 1867 года начался этот хотя и урезанный, но самый крупномасштабный для тех лет сельскохозяйственный эксперимент.

Если увлекающиеся реформаторы видели спасение русского земледелия единственно в фосфорных удобрениях, каковое мнение каждый может усвоить, не напрягая особенно мысли, то Менделеев ясно видел, что в каждом отдельном случае твердый ответ требует кропотливого труда. Он убедился: почва не простая механическая смесь нужных и ненужных для растения веществ, а сложная система, в которой все взаимосвязано, все влияет друг на друга и все важно. Например, глина сама по себе не нужна растению, но зато она препятствует вымыванию из почвы необходимейших минеральных веществ. Органическая часть навоза не усваивается растением, но зато наряду с тщательной глубокой вспашкой улучшает физические свойства почвы. Вещества, содержащиеся в тонком пахотном слое, непрерывно взаимодействуют между собой, реагируют с водой и углекислым газом, и нередко даже внесение в этот слой веществ, безразличных для самих растений, может оказать огромное влияние на их развитие, ускоряя или замедляя выработку в почве важных для произрастания веществ. Больше того, в почве идут не только физические и химические процессы, но и биологические.

Такой взгляд, такой подход к объекту не как к куче камней, а как к гармоничному архитектурному сооружению был вообще свойствен мышлению Менделеева. И это ясно проявилось в тех рекомендациях, которые он разработал для русского земледелия. В те дни, когда на искусственные удобрения смотрели как на средство быстро исправить недостатки почвы, заменить навоз едва ли не мусором и начать получать максимальные урожаи на любых землях, Менделеев не уставал говорить о том, как важны для земледелия физические свойства почвы. Именно в доведении почвы до спелости, то есть до способности поглощать из воды и воздуха азотистые вещества и углекислоту и прочно удерживать эти вещества, видел Дмитрий Иванович первоочередную задачу отечественного земледелия.