1938年第119联队一部以配属的7、8门山炮在滕县东北方向试射之后，接着即以排炮集火向滕县东关、城内和西关火车站猛轰，同时约10余架日军飞临县城上空投射投弹。

自日军开始进犯滕县外围界河以来，城内外人心尚且安定，秩序还好。此时突然炮弹、炸弹犹如疾风骤雨般从天而降，老百姓顿时慌乱起来，全城百姓扶老携幼四散奔逃，半个小时内街面上的百姓已经离城向西、向南逃难而去，整座滕县顿时有如死城一样安静。

此时从洪町和后十里铺的援军两个营已经先后入城，守军兵力已经扩大到了近2500余人，尽管这些数字当中还有一部分不堪一用的地方武装，但沈克总算有了一丝底气。此时恰逢张学良越过万福麟亲自给滕县牛元峰致电，通知非但第114师已经出援，而且驻守枣庄、峄县的第116师金奎壁部也已经登车，胆气大壮的牛元峰决议以滕县为饵，一举歼灭此股冒进之敌，并进而围歼北沙河及前郭河之间日军主力。

为了确保能挡住日军第1波攻击，沈克亲自下令将南北城门予以堵塞，东西城门暂留交通道路并准备好物料随时封闭。同时四门张贴布告，严令城内守军各部不得随意出城，有违者就地正法。

1时15分，日军突然停止炮击，正当牛元峰、沈克等人对日军是否发觉了中方围歼的意图而百般揣测之际，1时30分，日军炮火突然集中向东关北半部寨墙突出部猛烈轰击，短短四五分钟之内就轰出1个10余米宽的豁口。同时日军以轻重机关枪对准豁口猛烈射击，以阻止守军堵塞豁口。守备东关地区的1272团3营一开始在日军炮击下有所伤亡，但随即在老兵和军官的带领下避开日军炮火轰击，隐蔽在豁口两侧，准备对日军冲锋部队实施打击。

少顷，日军以一个小队约60人冒着城头阻击的东北军射出的枪弹突入城下塞壕内，得到通报的埋伏部队人手数枚手榴弹严阵以待。不一会，日军冲向豁口，守军立刻将手中的手榴弹掷出。漫天飞舞的手榴弹像雨点一样投入敌群，顿时炸得鬼子哇哇乱叫，在留下50余具尸体之后，剩余20余鬼子仓皇的逃了回去。

日军首次攻击攻击失败之后，稍事调整，又以更猛烈的炮火和机关枪向豁口攻击，一方面扩大豁口的宽度，另一方面也是压制杀伤东北军埋伏士兵。但守军利用日军火力的死角再度避开日军的射击范围，躲在两侧继续埋伏。随后，日军又以60余人的规模从城壕向豁口冲锋，结果再度遭到手榴弹的打击，甚至东北军还调来了掷弹筒，致使此番进攻的日军遭遇更惨，只有不到10余人得以脱逃。日军不甘心失败，又第三次实施进攻，结果也遭失败。三次进攻之后，日军损失超过百人，这个数字是只有千人的该部日军所不能承受的，于是士气受挫，不得不停止了进攻。

此时第114师一部已经自西关火车站下车，增援部队迅速通过预留城门抵达城内。见到援兵的到来，沈克的胆气更壮。下午3时20分，他命人打开一度封闭的北部城门，第第69军警卫营主动出城向日军实施反击。日军未料已经陷于死守境地的中国军队尚有反击的余力，一时不慎结果为两营将士打了一个措手不及。随后，提前下车的第第1142团2营从南沙河方向往东沙河开进准备包抄日军后路。

日军指挥官预感到情况不妙，立刻呼叫航空兵支援，在飞机的助威中所部日寇拖起火炮且战且退撤向龙阳店方向。但无论是牛元峰还是远在徐州的张学良都不愿意让该股日军轻易逃窜，为此张学良亲自悬赏五万元歼灭此股敌军，牛元峰甚至下达命令，命令城内只留第127师警卫连及县长周同所率武装警察和县保安团，余部尽数出城追击。

受到悬赏的激励，东北军各部奋勇前进，遂抢在日军之前夺取龙阳店渡口。日军见北返不能就转而向东，企图袭击东郭一线东北军后方实现与被围日军会师的目的。但日军的图谋很快被东北军方面识破，沈克指挥第1143团3营以急行军方式抢先抵达后明、前明、南明等村，封闭了日军东向通道，并在龙阳店与后明之间合围该股敌军。

得知己方奇袭失利并且部队再度被分割包围之后，本川省三少将不得已再度向师团提出指导的要求，师团参谋长落合甚九郎大佐不得不将步兵第第第109联队的剩余部队尽数拨给本川，而且冒着运河以西中国军队可能越河反击的危险将隶属于谷藤支队的步兵第第3联队一部也调入南线。

9日凌晨4时33分，获得增援的日军一举突破界河以南中路阻击阵地，并进一步夺取了二十里铺等北沙河以北的各处村落。而面临日军可能的侧击，第123师在北沙河以北的守军也被迫放弃休城一线阵地，撤过北沙河，至此北沙河以北只剩下了龙山这个关键性的要点。

由于龙山可以俯瞰整个战场，并可以对在北沙河以北以东地区的日军实施炮击，因此日军投入重兵攻打龙山，同时日军还调兵遣将，准备越过北沙河解救两处被围日军，由此，东北军各部的行动已经处在了分秒必争的境况下了。

“开火！”由于龙阳店与后明之间的日军力量单薄，因此第第一打击目标设定为该部，为此第69军集中各种火炮约20余门，对窜入大绪庄、小门堂村、南明村等地的600多日军实施大规模炮击。

20分钟的炮击，在日军控制区内落下了近800余发大大小小的炮弹。最后一声炸音刚刚落地，数个营的东北军就在“杀光小日本”的口号声中一跃而起，分头向各村突了过去。

日军拼命呼叫空中支援，但来自曲阜的日军临时航空兵团第三飞行团的轰炸机刚刚抵达滕县空域，从徐州起飞的西北空军也到达了战区上空。数十架战机上演了安阳会战以后最大规模的空战，最终西北空军以战损6架、重伤3架的代价击落日机9架、重伤其2架，暂时掌握了滕县上空的制空权。

既然已经掌握了战区的制空权，西北空军当仁不让的出动苍鹰中队对日军全线阵地实施轰炸，其中重点轰炸了日军对龙山进攻部队的出发阵地，间隔半小时的三波次高密度轰炸之后，日军损失惨重，最终不得不停止了对龙山进攻和增援北沙河以东的军事行动。

日军停止了前进，但中国军队不会放弃这个机会，北沙河以东的中国军队全线进攻。下午第69军警卫营率先攻克小门堂村，击毙日军少佐大队长1人，中少尉及军曹以上级别士官、下士官15人，毙俘其余日军170余人，缴获三八步枪47杆、掷弹筒12具、大正三年式重机关枪一挺、九二步兵炮1门，军刀12柄，其余军资无算。

随后中国军队挑灯夜战，终于全歼龙阳店至后明一线突袭之日军余部。而东郭以北的战事也有极大的进展，当晚朱洼、白河、牛皮岭、李沟等村落被收复，日军残部被压缩在青莲山摩天岭至党郎山之间七八个村落之间，日军总数也下降到了1800人以下。

但本川省三和山冈重厚中将又如何甘心以失败收场。3月10日，日军大举调动航空兵力轰炸徐州以调动西北空军的注意力，第第3联队的150公厘重炮部队猛轰北沙河铁路桥沿线东北军阵地，随即以大队规模向北沙河以南发动强攻。

第第127师集结全部兵力予以顽强抵抗，同时增援的第114师也已经全部开抵滕县，师主力在城河沿线设置二线工事，所部1142团开赴龙阳店以东协助防守日军的渡河攻势。同日下午，自枣庄出发的第第1162团也在副师长兼团长李兰池率领下开抵沂山以北桑村、城头一线。

是日，第128师赵毅部也加紧了对日军被围部队的进攻，从日到暮，从暮到日，东北军不顾日军殊死抵抗造成的大量伤亡，以决死之心反复对日军据守的村落实施突击。日军遭到东北军舍生忘死的打击，盘踞的村落逐步失守，日军势态进一步遭到压缩。战至第1162团也奉命加入战局，日军遭到此股生力军的打击，更是不堪。11日下午3时，日军被迫放弃各处据点，纠集不足千余残军奋力一击，撕开东北军在谷山、磨石山、相河一线的阻击阵地向大王村河以西夺路而逃。

东北军各部不愿煮熟了鸭子就此飞走，各部全力顺势掩杀，日军一路留下断尾部队，余部也丢下移动不宜的火炮等重型武器，最终约500人在河西日军的接应下逃脱生天。

此时日军本川支队主力已经突破北沙河防线，攻入洪町和后十里铺等地，滕县县城已经再度处于日军火炮的射击范围之内。

然而这也是日军此役推进的最远点了。

第9集团军所属新第第2军1个师作出了趁日军在济宁至汶上段防守薄弱的机会就势反击的架势，迫使日军不得不撤兵返回邹县应对，由此这场微山湖畔的战役就此落幕，日军付出近4000人的代价最终一无所获。

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