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无论如何，孔有德最终还是叛乱了。崇祯四年闰十一月二十八日，孔部叛乱后，连陷陵县、临邑、商河、齐东等地，每到一处必劫掠当地府库，释放囚犯来壮大自己的兵力。在孔部攻陷齐东以后，当时巡历在平原的山东巡按王道纯距离叛军驻地很近。王道纯得知此事后，急忙写信给待在山东首府济南的山东巡抚余大成，告知其叛军谋反连陷州郡一事。让人啼笑皆非的是，如此重大的事件，余大成居然不相信，他认为孔部皆山东士兵，怎么会做出杀掠本省人民的事情？王道纯无奈，急忙再次向余大成发书求援，这一次余大成竟告病称这件事自己没办法管。
《徐显卿宦迹图》中的明朝官员形象
直到十二月初六，叛军攻陷青城以后，大梦方觉的余大成才终于意识到事情的严重性。余大成急命济南府中军沈廷瑜、武德参将陶廷砻发兵剿贼。十二月初八，来自济南和武德的明军与孔部叛军会战于阮城。在这种危急关头，沈廷瑜居然乘坐轿子指挥战斗，其麾下士兵的战斗如何就不言而喻。结果显而易见，刚一交锋，沈廷瑜率领的士兵就率先败退。叛军见有机可乘，一鼓作气地击败了陶廷砻率领的部队。明军几乎死伤殆尽，沈廷瑜与陶廷砻仅以身免。
此时的形势已经十分严峻，山东巡抚余大成在确信了孔部叛变以后，先是派遣官员乙邦才
赴孔部招安叛军，但是桀骜不驯的叛军将乙邦才绑缚，打了40军棍放回。余大成无可奈何，急命山东各路部队集结会剿叛军。但是，孙元化却打算招安孔有德部，孙元化移檄山东沿途各州郡，不许对叛军相加一矢，以表示朝廷招抚叛军的诚意。孔有德也似乎被感化，阮城以后就再没有沿途攻打济南到登州的州县。于是，天真的孙元化给余大成写信道：“抚局已定，我兵不得往东一步以致坏事。”随即孙元化解散了召集的登莱援军。余大成无奈，亦下令解散会剿叛军的明军。终于在十二月二十二日，孔部到达登州城下。
值得一提的是，在吴桥县发动兵变之后，孔部叛军之所以在山东境内纵横豕突，无人能挡，是因为山东境内的军备已经到了明朝开国以来最差的时候。自明成祖迁都北京以来，明朝以蓟辽、宣云为京师两翼，以山东为京师咽喉。但山东相比作为京师两翼的那四个地区，兵力情况着实堪忧。万历二十年，山东作为连通南北的重要交通要道，朝廷商议在此增设兵额。最终，朝廷在济南府增兵3000名，登州增兵3700名。万历四十八年，因为后金的崛起，山东添兵9000名。天启二年，山东再添兵9000名。前后一共增兵24700余名，并成定额。崇祯二年，由于糟糕的财政状况，朝廷裁汰了一部分兵额。裁汰以后，山东实存兵15900名。在同年后金军兵围北京城的己巳之变中，山东抽调精锐5600人入卫京师，官兵损失很大，山东全省仅有老弱兵卒数千分布在辽阔的辖区内。“空虚之极”算是对山东兵力的真实写照。于是，在崇祯三年七月，山东请朝廷发饷增募新兵3000人以为用。但是，显而易见，就整个山东省的体量来说，这无疑是杯水车薪。一年的时间显然无法练出精兵，所以一开始人数不多的孔部能在山东肆无忌惮。
就在全山东束手无策，眼睁睁地看着叛军挺近登州城，而孙元化以为事情就这么平息下去的时候，只有莱州知府朱万年保持了十分清醒的头脑。十二月十三日，即叛军到达登州的10天前，朱万年便在莱州城誓师，动员全城军民严守城池，且做了十分充分的准备。
朱万年对莱州的城防主要做了三件事：
其一，城内宵禁戒严。朱万年命令城内妇女一律不许出城，官绅的粮食全部运回城中以防资敌。再者，城中的每一个十字路口均设置一个栅栏，责令附近居民轮流看守，夜间及时封锁，非有令箭不许擅自开启，五更以后方可通行。不许夜间饮酒赌博以生事端。
明朝中后期的军费开支比例
莱州府治下掖县鼓楼老照片
其二，登记人口，十家一牌。朱万年规定十家为一牌，以牌为单位查清各家的人口和具体情况。每牌均要准备防火设备，若有火警，只需本牌十家相互扑灭，以防奸细。每牌编册以后，十户家庭每户出壮丁一名守城垛，以备不虞。
其三，完善城防。莱州城的大楼、角楼以及马面墙按需配置红夷大炮以及其他火炮。红夷大炮用四轮炮车安置，以便移动。再于城垛上设置礌石以及箭帘等物
，莱州城四个大门前皆修筑高墙以护门。其中南北二门各置千斤铁叶牌保护城门，牌上安装滑轮以为升降进出之用。
可见朱万年对莱州城的防守十分细心仔细。所以在之后的登莱之战中，莱州城防成了吴桥兵变中最为耀眼的闪光点。
另一方面，因为山东全省在孙元化的错误判断下，遣散了所有的援助力量，孔部叛军一路急进。崇祯四年十二月二十二日，孔部叛军抵达登州城下，驻扎于登州城南的密神山。孙元化此时终于稍微动了一点儿头脑。他命令张焘率领辽东兵驻扎城外，总兵官张可大率领南兵拒战。准备充分以后，孙元化派人赴孔部军营招安。这个时候孔有德等人终于露出了狰狞的面孔。他们不仅没有接受朝廷的招安，而且连夜组织士兵攻打登州西城。登莱总兵官张可大连忙用大炮击退了攻城的孔部。此时孔部被大炮轰击首战不利，士气受到相当大的打击。张可大陈请孙元化趁机发兵，一鼓作气消灭孔部叛军。然而孙元化却一错再错，他心怀侥幸，执意招安孔有德，并没有听从张可大的建议。张可大只能再次急切地向孙元化晓以利害关系，建议几天之后的崇祯五年元月初一集合大军攻打孔有德部。然而，到了崇祯五年的元月初一，孙元化拒不发兵。明军早期顺利平叛的最后一个机会，至此被孙元化放弃。
铸于万历十年的登州戚氏刀
上一战之后，明军任由孔部叛军休整了足足10天而不做任何准备。崇祯五年元月初二，孔部叛军再次兵临城下。又惊又惧的孙元化才终于觉悟，他急命张可大的南兵与张焘的辽东兵合兵，与孔部战于登州城东。张可大的南兵先与孔部作战，南兵悍不畏死，奋勇当先，连破孔部叛军数个兵阵。但是，就在这时，配合南兵作战的张焘却因为怕死，放弃张可大，率辽东兵逃走。张焘的引退导致明军阵形全面崩溃。张可大的南兵在辽东兵退却以后依然殊死力战，直至最后，几乎全军覆没。张可大部下中军管维城，游击陈良谟，守备盛洛、姚士良皆力战身死，张可大仅以身免。反观张焘所部辽东兵，虽然提前逃跑，但依然有一半军士投降了孔有德。
崇祯五年元月初三，投降孔有德的34名明军士兵突然出现在登州城门外，要求入城。两军交战，投降的军士被敌军无故放回本就疑点重重，但孙元化却不加甄别，选择相信被放回的军士，并让他们进入登州城！虽然经过张可大等人苦口婆心地劝导，但是天真的孙元化再次放弃采纳张可大等人的建议，这些叛军就这样混入登州城内的明军之中。
事情的发展没有半点悬念。夜半，被孔有德从营中放回的辽东军与城内明军中军耿仲明、都司陈光福等人起兵为内应。他们振臂高呼，与城外的孔部叛军里应外合，不费吹灰之力便攻下登州城东门，最终占领这座朝廷经营十数年之久的重镇。据说，孙元化当时看着城头的火光，心知大势已去，于是抽出佩刀，想挥刀自刎，但是并没有自杀成功。孙元化被孔部叛军掳去，旋即因为他昔日对孔有德等人有恩，最终被叛军放走。此时张可大奉命守登州水城，不在大城之中。登州大城被攻陷以后，张可大抚膺恸哭，并解下自己的符印和旗鼓，自小道逃入济南。在交代后事之后，这位悲情英雄最终自缢于家中。
此时被孔有德占领的登州城中，尚有旧兵6000人、援兵1000人、马3000匹、饷银10万两，并有红夷大炮20余门、西洋大炮300余门，其余火器甲仗不可胜数。这些兵马军资皆为孔部叛军所有。孔有德等人占领登州后，召集登州城内所有辽东人，给他们发放兵器。其后，孔部叛军以及城内辽东人，对登州城内的其他百姓进行了惨无人道的屠戮与奸淫。一时间，昔日繁华的登州城犹如人间炼狱。
可以说经过天启、崇祯两朝的建设，登州已经成了名副其实的边防“第十镇”，和明朝传统九边镇城处于同等地位。但是这样铁打的登州城，为什么就在数千人的攻势下迅速瓦解，不堪一击呢？总结来说，就是孙元化、张焘等人盲目、愚蠢的防御政策导致的。诚然，登州城高池深，所用大炮都是西洋炮，用的也是西洋火药，更是聘了西洋炮手。但在一场战争中，最重要的因素永远是人，其次才是武备。明末孙元化等人虽然对中西技术交流做出了很大贡献，但是他们迟钝的政治军事水平却毫无意外地间接成就了后来崛起的清王朝，为大明朝的覆灭埋下导火线。
明朝最后一位阁臣范景文曾这么评论过登州失陷一事，此文亦可当作总结：
虽然，此器耳，尤存乎其人……孙初阳（初阳为孙元化的字）……自以为有西洋大砲八门，鸟铳枪刀皆西洋，药法弹法皆西洋。又即以西洋人放之，精极无加矣。然孔有德一攻不守，此曷故哉？此非徒狥器，而不得人心之谓乎？