Вильямс рано понял, что луговодство и его научная разработка — один из самых отсталых вопросов русского сельского хозяйства.
Уже во время своих первых путешествий по России Вильямс широко ознакомился с нашими лугами, раскинутыми по Волге, Днепру, Оке, Сызрану, Красивой Мечи и многим другим рекам. Узнав хорошо наши луга и их состояние в разных районах страны, Вильямс указал на «поразительное пренебрежение и запущенность», в которых находятся почти все естественные луга России.
В Московском сельскохозяйственном институте Вильямс почти сразу начинает читать курс луговодства. Он много работает над этим курсом, постоянно улучшает его. В 1900 году студенты института Н. П. Ерлыков и Н. З. Маркелов тщательно записывают курс лекций Вильямса по луговодству, а в 1901 году этот курс уже вышел в свет. Это была первая ласточка русского научного луговодства.
Этот труд в значительной мере основывался еще на использовании данных зарубежной науки — у Вильямса было в это время еще мало своего материала.
Большое внимание Вильямс уделил в своем первом курсе улучшению лугов, он рекомендует «поверхностное освежение лугов», снятие дернины, разрыхление почвы и известкование ее, настилание дернины на прежние или на новые места, описывает разные «освежители» — заграничные луговые плуги, скарификаторы и прочие машины, не получившие почти никакого практического применения и вскоре ставшие музейной редкостью даже у себя на родине.
Молодой луговед относится к иностранным советам по улучшению лугов достаточно критически. Он указывает: «…все эти способы далеко не оправдывают себя, и действие их очень кратковременно. Они не достигают своей цели потому, что не устраняют коренной причины ухудшения: накопления органического вещества в поверхностном слое почвы».
Вильямс замечает, что, пожалуй, нигде тесное взаимодействие почвы и населяющих ее растений не выступает так ярко и резко, как на лугах. Луговые травы, особенно злаковые, отмирая, способствуют быстрому обогащению почвы перегноем, и это на первых порах благотворно влияет на нее — улучшается почвенная структура, возрастает запас питательных веществ. Но очень быстро на лугах начинают наблюдаться другие явления: количество перегноя делается настолько большим, что он не успевает разлагаться, структура портится, влагоемкость почвы резко увеличивается — и луг заболотевает. Тогда его улучшить уже очень трудно.
Говоря о заграничных методах улучшения лугов, Вильямс отмечал еще в своем первом курсе луговодства: «…эти способы улучшения можно применять лишь в тех случаях, когда луг не очень сильно заболотел». А русские луга, за которыми почти не ухаживали, заболотели во многих местах. На заболоченных природных лугах ценные в кормовом отношении растения сменялись плохими, качество сена ухудшалось, луг деградировал.
За границей тоже были знакомы с этим явлением и боролись с ним путем сжигания дернины, но Вильямс сразу понял, что такой метод «улучшения» является хищническим, ибо при сжигании дернины «мы теряем весь перегной и весь азот». Выходило так, что самые ценные особенности луговой растительности в смысле ее влияния на почву не используются, — богатство, скопленное в почве, сжигалось и улетало в воздух.
По воспоминаниям ученика Вильямса, впоследствии крупнейшего советскою луговеда А. М. Дмитриева, «вся западноевропейская рецептура, вся ее техника, вся организация лугопользования не удовлетворяют Василия Робертовича. Идет борьба не с причинами, а с последствиями. Не знаем еще биологии луговой растительности, не знаем биологии луговых почв, не создали системы действительно рационального использования и улучшения лугов. Вот о чем прямо и косвенно говорит молодой профессор».
И молодой профессор приступает к глубокому изучению биологии луговых трав, биологии луговых почв.
В начале девятисотых годов Вильямса особенно часто видели на его небольшом питомнике луговых трав. Согнувшись, стоит Василий Робертович над делянкой и наблюдает, как ведет себя то или другое растение; ученый осторожно разрывает землю на делянке, он изучает расположение, густоту и глубину проникновения в почву корневой системы растений. У многолетних злаков корневая система была густая, мочковатая, «о располагалась почти целиком в самом верхнем горизонте почвы. Корневая система бобовых растений имела совсем другой облик — она была стержневая и проникала глубоко в почву и даже в подпочву; например, корни люцерны шли в глубину на несколько метров. Биология корневой системы этих двух групп растений была, таким образом, резко различной: многолетние злаки могли за счет ежегодного отмирания их корневой системы накоплять в почве много перегноя в самом верхнем ее слое, а многолетние бобовые были способны с помощью своей глубокой стержневой корневой системы «перекачивать» минеральные вещества из глубоких слоев почвы, в ее верхние горизонты. Кроме того, бобовые, благодаря жизнедеятельности особых клубеньковых бактерий, поселяющихся на корнях этих растений, обогащали почву азотом — этим важнейшим элементом питания растений. Выходило, что многолетние злаки и многолетние бобовые взаимно дополняют друг друга при их совместном произрастании на почве.