种无闲地与种无虚日
土地生产率与土地利用率关系密切。在“尽地力”思想的指导下，我国古代土地利用率不断提高，集中表现在以种植制度为中心的耕作制度的发展上。徐光启相继在天津、房山、涞水等地寻访适宜屯田的地点，并最终选定天津做他的试验场所。来到天津，他购置了一批杂草丛生的荒地，雇用了一些农户开荒种地，他本人也亲执农具，在田头劳作。这些新垦殖的荒地被种上了小麦、水稻等农作物，获得了较好的收成。徐光启所关心的不仅仅是收成的好坏，而是利用屯田进行科学试验，总结种植的经验教训。他十分重视调查研究，搜集民间经验。他时常布衣敝履，奔走于田野，向当地农民了解土壤、施肥和耕作方法等方面的问题，仔细笔录下来，然后博考中外古今的农业典籍，再结合自己的实验结果，写成许多充满科学精神的笔记。靠这种方法，他先后写下了《宜垦令》、《北耕录》等农书，并借鉴前人成果创造了名为“粪丹法”的施肥方法。
经济作物的种植培育也是徐光启科学实验的重要内容。赴天津之前，他曾写信给家人索取各种花草和麦地冬、生地、何首乌等药物的种籽，利用空地进行种植，还计划用西方的制药法加工提炼，制成药露，既便于使用又便于保存。后来，他还打算把苎麻、蔓菁等南方作物引种到北方。历史上北方曾经是主要的蚕桑产地，可随着经济重心的南移，江南桑蚕业后来居上，北方的桑蚕业反倒衰败下去。徐光启对北方的气候、土壤等条件进行了考察，发现很适宜植桑养蚕，决心在北方试养试种，重振北方桑蚕业，推动北方经济的发展。他特意叮嘱在家乡的儿子徐骥“养好桑椹，晒干寄来”。
他在天津养蚕，头蚕由于春旱取得成功，二蚕可能因为多雨，吃了湿叶，结果坏了。徐光启就此总结出经验，即要养好蚕，关键在于桑叶要干，桑干在天，人要与天争时，这反映出既要尊重自然规律，又要因地制宜，创造条件的科学思想。徐光启第二次屯田天津是1621年(天启元年)。这一年，他因练兵受挫，愤然辞职，复寓津门。在此期间，他写了《粪壅规则》，记录了北京、天津、山西、山东、江苏、浙江、江西、广东等全国各地老农、老兵和过往行人传授的壅粪方法和他自己的施肥经验，还保留了一些很有价值的笔记。可见，徐光启的农学研究，不但注重试验结果，还注意采集别人的经验，两者互相印证，一个环节一个环节地推敲，最后作出自己的判断。这是徐光启科学研究的一大特色。
《农遗杂疏》是徐光启屯田天津所写的另一部农学着作。此书泛论粮、棉、果、蔬、农艺及牧畜技术，今已不传。从散见的一些佚文中，可以看到大麦、蚕豆、柑桔、石榴、棉花、竹子等的种植栽培和肥猪法等方面的内容。如说蚕豆是百谷中最早成熟的，蒸煮代饭，炸炒供茶，无所不宜，而且不受蝗害，不为虫蚀，可藏之数年，诚为备荒的佳种。还说大麦最宜久藏，可以多积。徐光启把自己长期积累的经验，采取通俗易懂的语言记录在《农遗杂疏》里，便于识字不多的广大农民掌握和应用。他循循劝告农民采用先进的生产技术，实行多种经营，提高作物单产，积粟备荒，增强国家的物力财力，实现富国强兵的理想。在长期的科学实践中，徐光启收集积累了大量第一手材料，总结了许多珍贵经验，这些都为他编纂《农政全书》奠定了坚实的基础，他在这个时期取得的大量研究成果，也都在《农政全书》中有所反映。
诚然，由于徐光启善于经营，也使他自己的经济状况大有改观。他在天津开辟的土地大约在一千五百亩到两千亩之间，以与所雇用的农产四六分成计算，每年也有三四百石粮食的收入。但是，徐光启毕竟是杰出的科学家，不像一般封建地主纯粹过着不劳而获的寄生生活，是专门消耗社会财富的蠹虫。稍加分析就会发现，徐光启的农业经营活动是从属于他的农业科学试验的，其动机是为了研究和推广农业科学技术，推动社会生产力的发展，创造更多的社会财富。他不仅自己从事劳动，还把收获的一部分投入到科学事业上，为扩大研究范围和规模提供资金。因此，应该把徐光启与那些专靠剥削为生的封建地主区别开来。
督练新兵，守城制器
徐光启对军事问题有强烈的兴趣，这种兴趣来自童年的经历。前面说到过，在徐光启的童年，他的故乡屡遭倭寇蹂躏，生灵涂炭，民不聊生，他的家人也饱受流离之苦。从父亲那儿听到的抗倭故事，给少年徐光启留下深刻的记忆。倭奴的凶悍残暴，国家的积贫积弱，激发起他对倭寇的仇恨和对国势衰败的感愤。他的富国强兵思想最早也应该是从这个时候萌生的。研习举业之余，徐光启浏览了许多兵家典籍，翰林院读书期间也曾写下了《拟上安边御虏疏》这样闪烁着真知灼见的馆课文章。不过，他真正有机会统领军队，推行自己的军事主张，却是在很多年以后了。
明朝晚期，东北地区的女真族势力不断发展壮大，对明王朝的统治构成了威胁。1616年(万历四十四年)，努尔哈赤统一女真各部，建立了后金政权。其后二年，后金兴兵南犯，相继攻占明朝东北重镇抚顺和清河。明王朝统治者大为震动，廷议纷纷。礼部左侍郎何崇彦以“夙知兵略”举荐徐光启参预军务，万历皇帝急召徐光启入京。这时徐光启正在天津养病，接到诏书，即刻启程，抱病回到左春坊左赞善任上。1619年(万历四十七年)3月，兵部左侍郎兼辽东经略使杨镐率四十万援辽大军，出山海关后兵分四路向后金军发起反击，结果一败涂地，还在刚刚得知杨镐兵分四路出击的部署时，徐光启就指出“此法大谬”，后金兵必于诸路坚壁清野，集中兵力对付其中一路，并判定这一路必定是由山海关总兵杜松所率由沈阳往抚顺的明军。局势的发展完全被徐光启不幸言中，杜松在二度关遭遇后金精兵伏击，全军覆没，其余各路亦先后败没。至此，徐光启心急如焚，连上三疏，痛切陈词，阐明自己对挽救危局的看法和主张。
继《敷陈末议以殄凶酋疏》、《兵非选练决难战守疏》之后，局面急剧恶化，朝廷仍因循守旧，不思改弦更张，徐光启于8月7日又上了《辽左阽危已甚疏》，吁请朝廷火速选练精兵，不可延宕误国。在此疏中徐光启提出了“正兵”的五条纲领：亟求真材以备急用；亟选实用器械以备中外战守；亟行选练精兵以保全胜；亟造都城万年台以为永久无虞之计；亟遣使臣监护朝鲜以联外势。这里包括了选材、造器、练兵、建台、联外五个方面，其中徐光启尤为强调军事人才的选拔与培养。他指出，国势衰微，渐贫渐弱，关键的原因之一是朝廷在选拔人才上拘泥常格，因循积弊，结果是论资排辈，任人唯亲，“用者未必才，才而用者未必当”。战争本来就是斗勇斗智，如果不是才力智计殊绝于人，就很难打胜仗。选拔人才的办法是，由在京诸臣各自举荐文武才略、绝技巧工之士，再经吏、兵二部考窍核实，根据其特长决定推升、改调或咨取，一一置之在京衙门和畿辅重地，以凭随时调用。所举人才建有奇功，举荐人亦分别赏擢，若误国败事，举荐人一并坐罪。倘若徐光启的建议被采纳，该会对用人问题上的弊端起到一定的遏制作用的。
徐光启的建议起初并没受到应有重视。后来因辽东危急，京城的安全也受到严重的威胁，众臣纷纷推举，万历帝才于1619年(万历四十七年)9月颁旨：“徐光启晓畅兵事，就着训练新兵，防御都城。”寻升徐光启为詹事府少詹事，兼河南道监察御史，管理练兵事务。徐光启受领新职后，满怀信心，于10月21日上《恭承新命谨陈急切事宜疏》，条陈有关练兵事项，包括关防、驻扎、副贰、将领、待士、选练、军资、召募、征求、助义等十款，希望能在财政和人员方面得到朝廷的支持。他曾设想挑选壮兵丁二万人，在京营附近建筑营房二千间，由工部和户部各自支付兵器和粮饷费用若干，一面造器，一面练兵，一年之后这支部队便可以投入使用。不料他处处受朝中权臣牵制，要人没人，要钱没钱，计划虽好却难以实施。
1620年(泰昌元年)4月，徐光启费尽周折才领到一点饷械，便风尘仆仆赶到通州、昌平，着手进行选练新兵的工作。当时供徐光启训练的新兵半杂老弱，身无完衣，面有饥色，他下决心裁汰老弱，只保留了一部分精壮兵丁，结合实战阵法进行操练。但是由于万历、泰昌两帝一年之内相继驾崩，加上饷械不继，缺少兵源，徐光启的练兵工作遇到很大困难。1621年(天启元年)2月，他旧疾复发，再回天津养疴。不久因沈阳、辽阳接连失守，礼部奏请襄理军务，又奉旨返京。
还在昌平、通州练兵时，徐光启曾经致信李之藻，要他前往澳门购置西方火器。李之藻派门人张焘赴澳门，向葡萄牙当局购买了四门大炮，并物色到炮手四人。时值徐光启辞职，李之藻恐大炮落入敌手，留在江西不再北运。徐光启复职后，重抄了练兵三疏进呈，请求恢复练兵计划，并把制造火器放在首位。他看到，明朝军队原先在火器上的优势，因为连战皆输，大量兵器被敌军俘获，已经转化成为劣势，只有大量铸造火炮才能改变这种不利的态势。他一边把留在江西的大炮运到前线，一边力请多铸西洋火炮，以资城守。他还推荐传教士阳玛诺、毕方济堪任此事，请速访求前来。然而好景不长，复职仅四个月，徐光启又受到阉党的攻讦，眼见练兵计划付诸东流，他愤然辞职，回到上海搞他的农学试验。
徐光启的练兵虽因层层阻挠而告失败，但也产生一些积极的效果。经过他训练的新兵在辽东战场作战，显示了顽强的战斗力，远比一般的明朝军队出色。他引进的西方大炮在宁远战役中发挥了巨大的威力，其中的一门被天启皇帝封为“安国全军平辽靖虏大将军”。在练兵过程中，徐光启还留下了二十四篇《练兵疏稿》和《选练条格》一卷。《选练条格》共分选士、选艺、束伍、形名、营阵五章，在募选、训练、指挥、战法等方面都提出了一些重要思想。如关于选拔士兵，他提出“以勇、力、捷、技四者取之”。他特别强调军队要有严明的纪律，行动要一致，“如擂鼓要进，就赴汤蹈火也要进；鸣金要退，后面有水火也要退。众人共一耳，共一目，共一心，此齐众之一法，阵无有不坚，敌无有不破矣”。后来，徐光启把他有关军事问题的疏稿汇刻为《徐氏庖言》五卷，这是他留给传统兵学的一份宝贵财富。
时隔八载，徐光启再度投笔从戎。这时崇祯皇帝已经即位，惩治权阉魏忠贤，剪除了阉党势力。崇祯力图刷新政治，任用贤能，恢复了徐光启礼部右侍郎兼翰林院侍读学士协理詹事府事的原职。其实此职是徐光启辞官闲住时由魏忠贤之流封的，他并没有到任。1628年(崇祯元年)8月，徐光启束装就道，由上海到北京，觐见崇祯。次年4月升任礼部左侍郎，主持礼部日常事务。9月他又受命督修新历。正当徐光启全力以赴地筹划历局事宜时，后金军队由皇太极率领挥师入关，围困蓟州，攻陷遵化、抚宁，威逼京师。1629年(崇祯二年)12月，后金兵攻入太安口，京师宣布戒严。半月后后金兵已攻至北京德胜门。兵临城下，势如垒卵，崇祯急忙召集群臣，商讨退敌计策。徐光启在召对中力主守城，得到皇帝的首肯。徐光启随即放下历局工作，以主要精力从事火器制造和保卫京师的斗争。
年近古稀的徐光启，满怀爱国之情，日夜在城防上奔波，教练军士，布置防务，饥渴俱忘，风雨不避。他制定的《城守条议》，就守卫京师作出了具体规划。《条议》提出，应当动员广大市民投入保卫京师的斗争。城中并不缺乏智勇奇士，应广泛收求加以录用。不论是勇力绝伦的，武艺出众的，善用火器的，能造守城器械的，都可由京官保任。对于市民提出的有关城防的意见，不拘尊卑，每天由负责官员议定，可行的便通知各处遵照执行。如吏部主事杨伸有名家人善用石炮，徐光启提议任命他为教师，教守城军民制作炮架，临时施用。这些事实反映了徐光启的军事民主思想。正是因为徐光启采取了行之有效的举措，森严壁垒，严阵以待，才使得后金军队最终不敢进攻北京。
