回到京城后，徐光启找到传教士熊三拔，婉言向他提出介绍西方水利器械的事。熊三拔也是意大利人，是利玛窦的后辈，为人聪明博学，精通天文和水利。但是他比利玛窦谨慎，因为介绍西方水利机械不在传教事务范围之内，否则会引起教士们的流言蜚语，影响他在教务方面的前程。他面有难色地推辞了这件事。
徐光启并没有因为熊三拔的拒绝而灰心，他已留意农田水利二十多年，对水利建设的重要性有强烈的认识，当他回到家乡，看到农民们仍旧使用落后的水车工具，十分费力，就更觉得有引进西方先进器械的必要。徐光启觉察到熊三拔的难处，劝熊三拔说：“天主不是造福于万民吗？先前的利玛窦先生把天文、历法、数学等知识毫不吝惜地传给我中华，备物致用，就是为了造福万民，结果他受到了广泛的赞誉。您如今向中国传授西方的水利知识，也是利玛窦先生当时的夙愿，如果愿望达成，将福泽后世，请您考虑一下吧。”这番话打动了熊三拔，他答应向徐光启每日讲授西方水力学原理和工程学知识。徐光启把熊三拔所说的内容一一记录下来，然后整理成文。
从万历三十九年（1611年）夏天开始，一直到万历四十年（1612年）春天，徐光启完成了《泰西水法》的编写工作，并着手付印刊行。泰西，就是西欧的意思；水法，是水利之法的意思。这次编译，与翻译《几何原本》不同。《几何原本》是数学名著，翻译时应力求忠实于愿意。而《泰西水法》的内容虽然主要是介绍西方水利，包括水利器具及水库工程等，然而徐光启并没有照本直译，而是结合我国原有的水利工具，选择西方科技中确实先进的部分，加以翻译整理。所以这本书实际上也是徐光启比较、研究东西方水利知识的成果集成。
《泰西水法》共六卷，前四卷讲取水、蓄水的方法。特别是前两卷全文介绍了三件水利器械的制作和使用过程。这三件器械便是龙尾车、玉衡车和恒升车，是从江河或井中汲水的工具，旱时可靠它们汲水灌溉，涝时可用它们抽出田间的水，它们不但功能强大，还可借助风力、水力或气压推动，很省人力。徐光启的好友曹于汴评价说，有了这些器具，“江河之水，井泉之水，雨雪之水，无不可资为用，用力约而收效广”。《泰西水法》的第五卷讲水质、水理。第六卷为图集，绘出了有关器具的图式。书前，徐光启写有《泰西水法序》，指出如果水利搞好了，“富国足民，或且岁月见效”。这种说法是很有见地的。
尤为可贵的是，徐光启不仅做了一般的文字翻译，他还结合上实物的试验。他请来许多木工，把熊三拔介绍的西方水利器械一一制出成品，然后应用到农田中试验功效。一时间，熊三拔的天主教堂中到处摆放着水利工具部件，还聚集着许多手工工匠，随着徐光启一同专心地听着讲解。这种结合试验的翻译方法，受到了当时京城中学者的赞赏。很多人都派了能工巧匠来到徐光启这里学习制作方法。当时有一位农业专家，名叫彭惟诚，正在离京城南三十里的良乡试种水稻，听说京城的徐光启、熊三拔正在试制新式水利器械，便立刻派了几名工匠来天主教堂学艺，然后把制成的器械带回良乡，经过试验，效果非常好。此后，徐光启在天津垦殖时，又把这些水利器械带到天津试用，也立见功效。这样，《泰西水法》便成为了一个西法中用、中西自然科学结合的成功典范。
这时的徐光启，在引进西方先进农业科学方面还有不少其他的成就。他曾在写给家人的书信中提到应用“西洋种葡萄法”来嫁接葡萄以取得更好的品种。徐光启还谈到引用西洋的“制药露法”，把中国传统的中草药，如麦冬、何首乌、山药、酸枣仁等制成药液，长久储藏，有专家评价他“在中国药学史上添上了新的一页”。
正当徐光启在吸收西方先进科学方面卓有成效时，他的仕途却起了风波。徐光启自万历三十八年（1610年）回到京城后，仍任翰林院检讨一职。这是个较为清闲的官职，不负责具体的行政事务，所以有时候朝廷会派给他一些临时性的任务。万历三十九年（1611年），他被派到宫廷内部主管宦官的教学工作，就是教那些太监们识字。当时正是宦官得宠、仗势欺人的时候，一些没有骨气的知识分子常常就此巴结宦官，青云直上。但徐光启从内心里不喜欢这一工作，看不上趋炎附势者的嘴脸，不免得罪了一些宦官。到了万历四十一年（1613年），他又被委派为当年会试的同考官。本着提拔人才精神的徐光启又大大惹恼了一个名叫魏广微的宦官亲信。这个魏广微投靠宦官，常常为虎作伥，迫害排挤正直的知识分子。这一次，魏广微靠着宦官的势力当上了会试的同考官，与徐光启一同阅卷。魏广微妒才嫉贤，摈斥了品学兼优的鹿善继等人的试卷，使他们落选。而当徐光启再次阅卷时，认为这几人不仅治学严谨，而且为人正直，应试文章又都是经世致用之文，因此坚持把他们录选。这就引起了魏广微的嫉恨，他到处散布谣言，说了徐光启很多坏话，甚至说他与西洋传教士暗相勾结，图谋不轨。再加上这一时期，徐光启和一些有识之士主张修订历法，引起了守旧派的不满，闲言四起。这些使徐光启甚为愤恨，决心托病告假，离开京城这块是非之地，并利用这段时间进行农业科学实验，从另一途径为社会作些贡献。
选择什么地方进行农业试验，徐光启很是费了一番思索。他一度考虑过回上海老家，还给留在家乡的儿子写了一封信，希望儿子在上海城外再购置些田地。然而这个方案没能实行，上海人多地少，地价昂贵，没有太大的可能搞大型的农业试验场。这样，徐光启把目光转向了地广人稀的北方，最终选择了天津。那时，天津一带有很多荒田，既有水源，地价又极为便宜，给政府交的税又轻，实在是个理想的地方。而且天津离京城近，便于联系熊三拔等传教士，对徐光启继续从事科学研究比较有利。更为重要的是，徐光启通过自己在京城多年生活的体验，发现南北方的经济发展很不平衡，特别是在粮食生产这个关系国计民生的大问题上，北方要远远落后于南方，每年的南粮北调费时费力，还需几百万的漕运费用。徐光启希望通过在北方试种、推广水稻及其他南方高产粮食作物和经济作物，使北方的农业生产发展水平接近江南，从根本上改变南北经济发展不平衡的局面。
万历四十一年（1613年）秋末冬初，徐光启带着他的理想和科学知识来到天津，从最初的八百亩田地做起，一步步地实践着他的农业试验计划。最初两三年，他种植小麦获得成功，不但有了充足的资本，而且具备了将试验进行下去的充足信心。
做足了准备工作，徐光启着手在天津农田里播种水稻。他先细心地研究了农田的地势和周围的河道，又研究了滨海盐碱地的特性，发明了适用于当地既可抗旱防涝，又可洗碱的水利工程技术，使水稻得以顺利成活。然而试种当年并没有收成。虽然稻秧长得挺拔壮实，根大如斗，但并不结实饱满，以致一年到头颗粒无收。徐光启并没有气馁，而是积极地寻找原因。原来，徐光启为水稻施肥用的还是江南地区的老办法，并不适用于北方的土质。经过多方询问和试验，徐光启改用麻灰作肥料，大大改善了水稻的生长条件。万历四十五年（1617年），徐光启试种水稻获得成功。后来，经过一代又一代不断总结经验，他培育出了一种叫“小站稻”的优良品种，天津地区也成为了我国北方产稻的重要中心。这是和徐光启的辛勤努力分不开的，南稻北种的成功，为北方种植水稻积累了丰富的经验。
为了推动北方经济快速发展，徐光启还试验引进一批经济作物。他有计划地从上海、安徽等地买来各种药材，如生地、何首乌、牛膝、贝母、当归、远志等，种下去，收成也不错。他还写信让上海的家人给他寄来鸡冠花、凤仙等花的花籽，种在房前屋后的空地上，并改造了从传教士那里学来的“制药露法”，用各种花朵做成香露，销路很好。徐光启在天津还试种了葡萄，其中的白葡萄一株可产数斗果实，每亩可收百担，经济效益可观。他还认为北方没有梅雨季节，很适宜养蚕。但北方的桑叶质量不如南方好，徐光启就想把南方的桑树移植到北方去。这样的试验、尝试还有很多。
天津屯田，是徐光启直接参加农业科学实践的第二次比较集中的时期。上海和天津，一南一北，在江南水乡和华北平原这两个不同的典型地区的实践，使他的视野更加宽阔，对农业科学规律的总结更具有普遍的意义。在天津的这几年，徐光启早出晚归，手执锄头、铁锹，亲自参加田间劳作，休息时就博览古今农书，还随时请教当地农民。几年下来，他积累了大量的农业研究经验，对各项实践都作了记录。参考研究心得，徐光启写成了《北耕录》《宜垦令》等书，介绍了一些耕作、施肥的经验，号召有识之士进行垦殖。
在天津垦殖的后期，徐光启还把历年务农的心得体会、理论成果加以总结，写了一部综合性的通俗农书——《农遗杂疏》。所谓“遗”，徐光启取之古书《周礼》的“遗人”之“遗”，意思是要充分利用农业资源，不要有所遗失。徐光启写这本书的目的在于劝告农民采用先进的、有效的生产技术，实行多种经营，提高产量，以获得更多的产品，还要在平时多加积累，以备荒年的不足。《农遗杂疏》里包括他先前所写的甘薯、芜菁、吉贝的小册子，也包含他收集的论粮、棉、蔬、果、农艺以及畜牧技术的综合知识，可以说是一部农业小百科全书。这部著作为徐光启以后编写大规模的《农政全书》打下了坚实的基础。
正当徐光启在天津垦殖的前途一片光明时，明朝的政坛却越加昏暗了。一些朝廷重臣盲目排外，视西洋事物为异端，欲除之而后快。有一些惯会揣摩上级意愿的小人趁机上奏要求驱逐外国传教士，惩罚信教的中国士大夫，并在南京无理拘捕了二十余名传教士，把他们押解远走，这就是“南京教案”。徐光启曾愤而向皇帝上奏，力劝皇帝不要排斥刚刚传入的西方教义和科学技术，但最终并未获得成功。与此同时，辽东满洲人入侵，朝廷练兵不力，军政腐败，徐光启对政局感到十分沮丧。天启元年（1621年），在万历皇帝驾崩之后，天启皇帝继位——这是一个整天与斧子、凿子为伍，喜欢做木匠活、不问朝政的糊涂虫。朝廷大权掌握在宦官魏忠贤的手中，他结党营私，无恶不作。徐光启就此对朝政不抱任何希望，在当年秋天，他毅然辞职，踏上了南归上海的旅程。
这时，唯一能给徐光启以安慰的是，上海的田地经过儿子多年的经营，这时更具规模，使他有条件进行农业科学的研究和试验。政治上的失意，在客观上提供了一个条件，使徐光启能有几年空闲时间，将酝酿多年的《农政全书》整理定稿。这本书写于天启五年（1625年）到崇祯元年（1628年）之间。当时还没定下这个名字，而是称为《种艺书》或《农书草稿》。徐光启生前也没有来得及刻印，而是在他死后六年，由他的朋友陈子龙替他刊行的，并取名为《农政全书》。
《农政全书》共六十卷，十二门类，五十余万字。前三卷讲“农本”，记述了历代有关农业生产、农业政策的经史典故和诸家议论，是全书的绪论；接着的两卷是“田制”，叙述了古代土地制度，古代农学家关于田制的论述，徐光启本人对古代井田的见解和耕方式的讨论。接下来的内容涉及土地利用方式、各种耕作方法、农田水利、农具、农时、开垦、栽培等类别。其中的栽培一类，已论及树艺、蚕桑、畜牧、养鱼、养蜂等农业技艺，充分反映了明代农、林、牧、副、渔等多种经营的繁荣。最后一个门类是“荒政”，详细考察了历代救荒政策和措施，总结了我国古代劳动人民同自然灾害作斗争的经验。
在这十二门类中，最突出的是“水利”“荒政”两门，前者九卷，后者十八卷，共二十七卷，占了全书内容的三分之一以上，可以看出作者的倾向和注意力所在。徐光启认为，通过兴修水利以增加农业生产，和救济灾荒以安定人民生活，是当时亟待解决的问题，所以把它们列为全书的重点。而《农政全书》的高明之处，在于书中很大一部分内容，超出了农业生产技术的范围，涉及到政策方针、财政经济、农田基本建设以及备荒、救荒等更加宏观的问题。
《农政全书》中的内容大部分来自征引古代农业文献。据统计，徐光启在书中引用的农业文献达到二百二十五种。因此，《农政全书》可以说是当时中国农业科学遗产的总汇，集中了中国古代农书的精华，许多已散失的文献赖以保存。这些丰富的农业科学资料是徐光启在几十年间积累抄录下来的，在此基础上又分门别类地进行整理、汇编。徐光启对劳动人民的实践经验也十分重视，尽量吸取、采用“老农”“老圃”的经验之谈。
徐光启的同乡好友陈子龙在《农政全书》的“凡例”中指出，这部巨著“杂采众家，兼出独见”。这确实抓住了这本书的一个重要特点。在《农政全书》中，属于徐光启自己写作的内容，大约只有六万多字，只占全书的十分之一。但这些文字，或是出于对当时农业科学先进经验的总结，或是把他自己的研究成果，用夹注、补充或评论的方式，加在征引的古代文献中的欠缺之处。即使只有三言两语乃至一二千字，都足以丰富古代文献。经过他的修订、补充，我国古代农业文献转化成当时最先进的农业科学技术而重放异彩，充分反映出徐光启的独到之见。所以，《农政全书》既是古代农业文献的汇编，也是一部不朽的科学著作。
《农政全书》与以往农书的一个重要区别在于：以往农书重在生产技术，而徐光启是从“农政”，即国家政策的高度，对农业生产的发展进行考察。为什么以“农政”命名呢？陈子龙解释说，是因为这部书包含了“富国化民”的根本问题。书前的序文中也指出写书的主要宗旨是从根本上寻求使国家富强的救世良方。确实，徐光启的根本着眼点在“农政”，寄希望于通过行政力量，发展农业，提高产量，改善人民生活，从而获得国防所需的物力与人力，实现富国强兵的目标。
关于农业生产的具体政策措施，在《农政全书》中主要包括开垦、水利、荒政三个内容。这三者，虽不直接属于农业生产技术，但对保证农业生产的顺利进行来说十分重要。徐光启认为，解决社会问题、发展生产、防患于未然是上策；提倡积蓄，反对浪费是中策；开仓救济是下策。他主张通过开垦荒地、兴修水利来发展农业生产；推行休养生息的政策以保护农业劳动者，从根本上解决问题。对开垦、水利、荒政等政策措施与农业的关系，在以前的农书中，还很少有人作过系统阐述。徐光启把这些“农政”集中而系统地提了出来，成了《农政全书》的又一重要特色。
与专啃书本、食古不化的书呆子不同，徐光启十分重视调查研究。他的儿子徐骥曾这样叙述其父躬亲科研的过程：“考古证今，广谘博讯，遇一人辄问，至一地辄问，问则随问随笔，一事一物，不穷其极不已。”《农政全书》中许多精到的见解和经验，不能不说是徐光启精细科研、严谨态度的成果。值得一提的是，徐光启在《农政全书》的“荒政”一门中，记录了度荒草木414种，相比李时珍的《本草纲目》的有关记录，增加了276种。这些草木，他大都亲自尝过，并注明“叶可食”“根不可食”等字样。他还详细介绍了食用方法，还写明“本是胜要，尝过”或“尝过，难食”。这种神农尝百草的探索精神是令人钦佩的。
徐光启的《农政全书》在我国科学史上有着极高的学术价值，被认为是中国古代史上一部最完备的农学百科全书。有人把它与李时珍的《本草纲目》、宋应星的《天工开物》和徐霞客的《徐霞客游记》并称为明代“科学文化上的四大杰作”。我国著名科学家竺可桢先生称徐光启为我国“近代科学之先驱”，对其贡献作了充分肯定。《农政全书》对欧洲近代科学的发展也有促进作用。随后，英国重农学派代表人物奎奈从来华的传教士那里了解到徐光启的农业技术成就，并将之运用于欧洲农业科学，使中西农学交流发展达到了一个较高的水平。
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