Анненков коротко рассказывал ученикам о черноземе — об этой темной, плодородной, чудесной русской почве, слава которой гремела по всей Руси и далеко за ее пределами. Обобщая существующий опыт разведения лесов на русском черноземе, Анненков говорил: «…на черноземе, распространенном у нас в южной части Тульской, в Орловской, части Калужской, Рязанской, Тамбовской и других губерниях, превосходно растет сосна, ель, береза, дуб».
Под влиянием Н. И. Анненкова и С. П. Карельщикова Костычев проникался все большим интересом к естествознанию и главным образом к ботанике. Ко времени окончания Земледельческой школы он был уже сам «маленьким ботаником», больше всего интересовавшимся луговыми травами и древесными растениями. Но интерес Костычева к естествознанию был гораздо шире. Будущий ученый отнюдь не собирался замыкаться в пределах одной ботаники. Он настойчиво изучает также физику и химию. Правда, эти науки были поставлены в Земледельческой школе хуже, чем биологические. Быть может, это было связано отчасти с тем, что директор-ботаник меньше уделял внимания физике и химии. Но главное заключалось в том, что на небольшие средства, выделявшиеся школе Московским обществом сельского хозяйства, нельзя было создать хорошо оборудованный физический кабинет и химическую лабораторию. Поэтому физика и химия изучались в школе без постановки опытов. В существовавшей же при школе химической лаборатории не было почти никаких приборов. Стараниями лаборанта И. И. Рыбальченкова была лишь собрана «коллекция химических веществ». Тем не менее успехи Костычева по физике и химии были «очень хорошими», что было впоследствии отмечено в его свидетельстве об окончании школы.
Костычев пристрастился к чтению книг по химии. Из рассказов Карельщикова он знал, что в Московском университете, мимо здания которого на Моховой улице он с таким благоговением проходил, есть хорошая химическая лаборатория, где своими руками можно делать все те чудесные опыты, которые Павел знал только по описаниям в книгах. С помощью этих опытов можно узнать, какие вещества и в каких количествах входят в состав растений, почв, минеральных удобрений, навоза. И Костычеву страстно захотелось самому делать такие «химические опыты».
В замечательных лекциях Анненкова он заметил один большой недостаток: в них много говорилось о почвах, но об их химическом составе почти ничего не было сказано. Костычев однажды после лекции попросил у Анненкова порекомендовать ему какое-нибудь сочинение, где были бы приведены химические анализы русских почв, прежде всего чернозема. Директор рассмеялся и сказал, что такого сочинения в природе не существует, а анализы русских почв пока насчитываются единицами. «Здесь непочатый край работы, почти ничего еще не сделано», — закончил разговор Анненков. Он не предполагал, что его внимательный и серьезный не по летам собеседник сделает своими собственными руками и с помощью своих учеников множество точнейших анализов разных почв России. В то время Костычев только еще начинал овладевать тайнами химии. Многое знал пытливый юноша, но ему еще не хватало практических навыков.