Вторая половина XIX в. характеризуется дальнейшими крупными открытиями в области естественных наук. В это время весь фактический материал естествознания рассматривается под углом зрения открытий Ч. Лайеля в области геологии, Ч. Дарвина в области биологии, Л. Пастера в области микробиологии и В. В. Докучаева в области научного генетического почвоведения.
С научной деятельностью А. В. Советова (1826—1901) начинается процесс дифференциации земледелия на почвоведение, агрохимию, растениеводство и т. д. Процесс этот не мог бы начаться без тех успехов естествознания, которыми так богата была вторая половина XIX в. В своей статье «О значении естественных наук для сельского хозяйства» А. В. Советов писал: «Что такое почва, как она растит растение, какие почвенные элементы входят в состав потребляемого нами хлеба, картофеля, овощей, плодов — того масса русских земледельцев не знает, да и знать, по-видимому, не желает. Если бы они знали все это, то их обращение с землей было бы иное, нежели мы встречаем почти всюду в России» (цит. по: М. Компанеец, 1971). В свое время А. В. Советов превратил агрономию из необязательного курса в полноправную университетскую дисциплину. В работе «О системах земледелия» (1867) он дает первое определение системе земледелия, в котором выражается способ возделывания и использования земли; предлагает переход от трехполья к плодосмену, которое, по его мнению, ставит земледелие в более правильное отношение к скотоводству. Работа А. В. Советова «О разведении кормовых трав на полях» послужила началом систематической разработки проблемы травосеяния в научных исследованиях.
В конце 70-х годов прошлого столетия, в связи с частыми неурожаями в Центральной Черноземной полосе, Вольное экономическое общество пытается выяснить причины этого бедствия. Председатель сельского отдела общества А. В. Советов поручает в 1877 г.
B. В. Докучаеву изучение почв черноземной зоны, на что выделялись соответствующие средства. С тех пор А. В. Советов постоянно поддерживает В. В. Докучаева, печатает его статьи, помогает завершить знаменитую монографию «Русский чернозем».
К концу XIX в. в трудах В. В. Докучаева, П. А. Костычева, Н. М. Сибирцева оформилось теоретическое, или генетическое почвоведение как самостоятельная наука.
В. В. Докучаев (1846—1903) в своих трудах «Русский чернозем» (1883), «Наши степи прежде и теперь» (1892) дает определение почвы как самостоятельного природного тела, предлагает мероприятия по борьбе с засухой, по приемам обработки почв для лучшего использования растениями почвенной влаги. Он выдвигает план построения в России системы научных, опытных и учебных сельскохозяйственных учреждений, предлагает организовать опытные станции для проверки в местных условиях результатов, полученных в учреждениях. В. В. Докучаев организует первую в мире кафедру почвоведения в Новоалександрийском институте сельского хозяйства и лесоводства (ныне Харьковский сельскохозяйственный институт им. В. В. Докучаева), руководить которой он приглашает профессора Н. М. Сибирцева. В 1889 г. В. В. Докучаев посылает на Всемирную выставку в Париж почвенную коллекцию, которая отмечается золотой медалью. Он получает орден «За заслуги по земледелию».
П. А. Костычев (1845—1895) значительно усилил биологическую трактовку процесса черноземообразования, дал агрономическую оценку черноземов, обосновал ряд приемов их рациональной обработки. П. А. Костычева считают основателем почвенной микробиологии, он придавал большое значение роли почвенных животных в генезисе почв, показал, что значительное количество фосфора в черноземах входит в состав органического вещества, а в неорганических соединениях фосфор находится главным образом в составе фосфатов кальция. П. А. Костычев отмечал особое значение на черноземах черного пара, с помощью которого поля могут быть очищены от многолетних сорных растений и приведены в наиболее благоприятное для растений физическое состояние. Он рекомендовал содержать верхний слой почвы в рыхлом состоянии с тем, чтобы нарушить капиллярную связь с нижними слоями и предохранить, таким образом, почву от иссушения, бесполезных потерь почвенной влаги. Считал нецелесообразным ведение переложной системы земледелия с краткосрочными залежами, когда посевы подавляются сорными растениями, и выступал за посев на полях трав. Важное значение П. А. Костычев придавал в повышении плодородия почвы ее структурному состоянию, выяснял роль растений и обработки в улучшении физических свойств почв, много сделал для связи почвоведения с земледелием.
На необходимость дифференциации агротехнических приемов и организацию сельского хозяйства с учетом природно-климатических условий указывал И. А. Стебут (1833—1923). Он считал, что степные засушливые районы требуют иных систем земледелия по сравнению с районами достаточного увлажнения. При его непосредственном участии в России было принято положение об опытных сельскохозяйственных учреждениях. В 1865 г. И. А. Стебут принял участие в открытии Петровской земледельческой и лесной академии (ныне Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева) как первый руководитель кафедры земледелия.
Д. И. Менделеев (1834—1907) был разносторонним ученым. Он разрабатывал научные основы отечественной агрономии на базе достижений химии и физики, проводил полевые опыты в ряде губерний России по изучению влияния глубины вспашки и действия удобрений на урожай растений. На основании опытов Д. И. Менделеев предложил программу развития сельского хозяйства применительно к условиям европейской части России, включающей метеорологические наблюдения, анализ почв, использование удобрений, приемов агротехники и большое участие промышленности в подъеме сельского хозяйства, что сейчас нашло отражение в создании агропромышленных комплексов.
А. Н. Энгельгардт (1832—1893) был первым ученым в нашей стране, для которого агрономическая химия стала основным содержанием научной деятельности. Работая в своем поместье Батищево Смоленской губернии, он разработал учение о питании растений, ратовал за применение минеральных удобрений вместе с навозом для усиления его действия. Изучая смоленские фосфориты,
A. Н. Энгельгардт дал начало научным разработкам по получению и применению минеральных удобрений. Широкую известность получили в свое время и представляют интерес и сейчас его письма «Из деревни».
Достижения естественных наук К. А. Тимирязев (1843—1920) ставил на службу земледелию, считая основной задачей земледелия изучение требований растений и разработку практических приемов удовлетворения этих требований. Он впервые установил, что процесс фотосинтеза, в результате которого создается все органическое вещество на Земле, подчиняется физическому закону сохранения энергии. Изучая превращения в зеленом листе, он применил в своих работах спектральный анализ, который в то время только начинал разрабатываться физиками, и показал, что на ассимиляцию двуокиси углерода в большей степени воздействуют красные лучи, обладающие наибольшей энергией, а не желтые, как это считалось раньше. Кроме того, К. А. Тимирязев установил, что интенсивность разложения двуокиси углерода растениями зависит не только от энергии солнечного излучения, но и от того, в какой степени они способны поглощаться хлорофиллом зеленого листа.
Д. Н. Прянишников (1865—1948) положил начало широкому развитию агрономической химии в нашей стране. Особое внимание в своих работах он уделял проблемам азотного и фосфорного питания растений. Работы Д. Н. Прянишникова по азотному питанию растений создали основу для развития азотной промышленности и практического применения азотных удобрений. Вместе со своими сотрудниками после первых работ А. Н. Энгельгардта он доказал целесообразность использования фосфоритов как удобрений на дерново-подзолистых почвах.
В. Р. Вильямс (1863—1939) в 1886 г. создал испытательную станцию семян, почв и удобрений, которая послужила прообразом контрольно-семенных и агрохимических лабораторий, действующих в настоящее время в нашей стране. В 1902 г. он организовал се-. лекционную станцию, а в 1904 г. создал богатейшую по тому времени коллекцию злаковых и бобовых трав, а также питомник, который долгое время служил лабораторией по разработке проблем луговодства. В 1914 г. под Москвой В. Р. Вильямс открыл институт луговодства (теперь это Всесоюзный институт кормов им. B. Р. Вильямса). Он ратовал за вспашку почвы с оборотом пласта, за сохранение и улучшение структурного состояния пахотного горизонта почвы, главным образом за счет корневых систем травянистых растений, разрабатывал мероприятия по борьбе со сорными растениями на полях. В. Р. Вильямс активно пропагандировал травопольную систему земледелия в сельском хозяйстве в период слаборазвитой туковой промышленности в стране.
Особое значение в развитии теории питания растений, в оценке потребности почв в удобрениях, вопросов химической мелиорации почв получили исследования К. К. Гедройца (1872—1932). В разработке и решении теоретических проблем почвоведения К. К. Гедройц исходил непосредственно из практических задач земледелия. Он разработал стройную классификацию видов поглотительной способности почв, сформулировал и экспериментально подтвердил важнейшие закономерности поглощения почвой различных веществ. В 1911 г. в статье «На каких почвах действует фосфорит. Почвы насыщенные и ненасыщенные основаниями» он выяснял, на каких почвах и при каких их свойствах применение фосфоритов дает положительный и экономически выгодный эффект.
А. Г. Дояренко (1874—1958) разработал ряд оригинальных методов исследований физических свойств, водного и воздушного режимов почв, выяснил роль многих приемов обработки почвы в регулировании потребностей растений в основных факторах жизни. Он придавал большое значение в земледелии занятым парам и промежуточным культурам, провел испытания эффективности разных видов занятого пара и ряда пожнивных культур.
Неоценимый вклад в развитие земледелия, особенно в биологию, систематику и географию культурных растений, внес Н. И. Вавилов (1887—1943). Он разработал учение о мировых центрах происхождения культурных растений, сформировал закон гомологических рядов, играющий большую роль в селекционной работе. Собранная им и его соратниками и последователями богатейшая в мире коллекция сельскохозяйственных растений является ценным источником исходного материала для селекции, интродукции и изучения эволюции культурных растений. Н. И. Вавилов был первым президентом организованной в 1929 г. в нашей стране Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук им. В. И. Ленина.
Н. М. Тулайков (1875—1938) внес существенный вклад в развитие земледелия на юго-востоке нашей страны. Он разрабатывал приемы накопления влаги в этих засушливых условиях, показал необходимость возделывания не только яровых зерновых культур, но и озимых и пропашных, а также культур с различной продолжительностью вегетационного периода.
Движущей силой в развитии научного земледелия стали достижения в области биологии, физики, химии, почвоведения, агрохимии, микробиологии и других наук, а также практика передовых хозяйств. В современных условиях усилия ученых в области земледелия и сопряженных отраслях науки направлены на интенсификацию земледелия применительно к природным и экономическим условиям конкретных регионов. Эти исследования базируются на уже разработанных и опробированных практикой научных основах земледелия.