后来孙元化与人不谐返京，没有参加宁锦之战。天启六年四月“熹宗鑑於“寧遠捷功，年來僅見””，“命兵部對先前未曾敘獎的有功人員再加議敘，被袁崇煥譽為“識慧兩精”的孫元化，雖不曾直接參與該役，但仍獲“候陞任，加一級，賞銀十二兩”的獎勵，其原因不詳，有可能因其參與寧遠的築城築臺之功，也有可能是因其曾於天啟五年督解軍器至邊關一事。”
宁锦大捷后孙元化曾回到过关外，襄助军务。不过他一生中最精彩的演出，却是以一种滑稽剧的形式出场和谢幕的。
袁崇焕杀毛文龙的故事已经为人们所熟知。毛统领的部队对火炮的使用也很在行，大约因为他们是水师的关系。船战与炮战密不可分，古今中外皆然。毛文龙被设计诱杀后，他制下的李九成，孔有德，耿仲明(很熟悉的名字吧)等人率部亡命而去，被当时的登前道孙元化收留。孙本人是用炮的行家，孔有德等人的投奔在他来说真不啻是天赐机缘，按现在的话说，正好助他推行他的军事理念。后来孙元化得到崇祯帝的信任，更被提升为登莱巡抚，掌领山东登州城下及东江诸岛的明军，成为除镇守陆路的袁崇焕外，另一只从侧翼威胁满清政权的军事力量。
然而孙并非独当一面的军事人才。他缺乏知人之明，亦缺乏对下属的驾驭能力。其制下的将领固然善战，却早已失却对明王朝的忠诚。作为主官的孙不能察觉潜在的危机，便不堪于乱世中生存。崇祯四年，朝廷面对的局势是：去年秋天刚剐了袁崇焕，今年两头起火，陕西山西的农民起义声势正盛，清兵又围陷了关外的大凌城。这个时候，孙元化派出增援大凌城的部队在山东境内以李九成，孔有德为首哗变为寇，依仗着训练有素的士兵和善用攻城大炮，纵横一年多时间，“残破几三百里，杀人盈十余万”，后被迫退守登州，李战死，孔耿诸人由海路往满洲降清。孙元化在部下叛变为寇后仍力主招抚，书生见识，也未尝没有私心在内。局势愈演愈烈，甚至孙本人也遭叛军俘虏。(孙因宗教信仰的关系，不得殉城)可能因为念及旧恩，他被叛军释放，其后崇祯帝下令将他在北京斩首弃市。此时明王朝抗清前线的大后方早已是一片狼藉。
孔有德等人降清时带去的正好是他们梦寐以求的火炮使用的专门人才，加上一支成建制的部队，甚至还加上当时中国最先进的铸炮技术。不久后满清军队便配备上了不输于明军的火炮。我们于是不难明白后来孔耿二人何以封王，各领一藩，也不难明白为什么日后满洲八旗入主中原，逢坚城必克，毫无阻滞了。在这场叛乱中，明王朝损失的就不仅仅是一支以火炮见长的部队，它失掉的是整座江山。
叛乱中叛军攻打莱城一役堪称中国军事史上最重要的一场战役。现在扳手看到概论明清火器运用的文章时，若见不到提及这场战役，便知作者学问还不到家。为何？原因如下：
第一：战斗的攻方，即叛军，是中国历史上第一支围绕大炮，不是鸟枪，不是大铳，也不是爆竹，是严格意义上的火炮，来组建的部队。是明王朝国库重点供养的一支精兵。
第二：战役的双方都拥有当时远东境内最好的火炮，并以此来作为主要的攻击手段。(当然这时候北京城内的可能还要好些，不过那是装饰，不算兵器)
叛军本就装备精良，这之前还打下了登州城，得到了红夷大炮数十门，西洋炮数百门，在战役过程中又围城打援，劫夺了一批明军的大炮。所以才可能在攻城时把重炮排开，一轮齐射便打得城头上站不住人。而守军一方靠了孙元化多年的苦心经营，火炮数量也不少----别忘了孙的官职是“登莱巡抚”，莱城也是他的根据地。不过这时候他已经不是了，新来的巡抚谢琏是个炮仗的外行。按照史料的记述，莱城守军使用火炮的技术很差，应当不是孙的旧部。不过是旧部也不敢用，孙的部队中多为辽人。叛军打登州的时候，就是靠同乡的守军耿仲明一部内应而获胜的，孙元化也因此当了俘虏。
莱城一战，显示出了火器运用的专门人才在战争中的重要性。
第三：叛军在城下，用火炮来攻，而明军用火炮在城头上守。从火力上来说，守军还要强些。战斗的结果是：叛军占优势。虽然叛军的火炮吃亏在射程上，但它的炮位可以散开，集中轰击城头的守军，因此占了大便宜。这说明什么？
大炮，作为远程火力，它的威力最大体现在哪里？是在进攻中，是在对固定目标的射击上。袁崇焕所云“依坚城，用大炮”来防御，实际上是明军不得已的选择，并不符合军事学的原理，所持的不过是满人没有好的火炮而已。
第四：莱城之围得解，靠的是关外明军，即袁崇焕的旧部来增援。其时孔有德仗着火器方面的优势，放言道：“杀山东兵如切菜，虽数十万，无奈我何，各镇兵咸非吾敌，惟虑关外兵耳”。而这里所说的关外兵，恰恰便是明王朝军队中，除叛军外，唯一一支玩炮的行家。
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