第二百五十八节激战
为进行南进作战，日军第2军第10师团于八月处组成了以第33旅团为基干的濑谷支队。8月1日，濑谷启少将替代田荣次郎少将，任第33旅团旅团长。其编成为步兵第33旅团、野战重炮兵第1旅团、独立战车第10、第12中队、工兵、通讯、汽车和卫生等各一个中队。
虽然这支南下支队，在编制规模上并不是很大，仅仅相当于一个师团。但这支部队拥有的重火力和战车，却是在日军中极为罕见的加强编制。
这么完全以运用装甲重炮装备的部队作战，实际上在此前的中日战争，还没有超越的先例，但是这一次，寺内寿一却是明显准备主要以战车作为先导，以机动重火力为突破口，打通日本南下作战意图的战术安排。
日军的机械化部队，实际数量不多，而且仅有的部分，也大多集中在关东军和本土精锐师团。投入华北战场的有几支，但在华东华中战场，却因为受地形限制，动用的次数和规模，实际上都非常有限。现在作为平原地带的徐州，却是非常适合机械化步兵和装甲战场部队的应用，但是寺内寿一这么做，有没有为其他战场演习的意思，中国方面就不得而知了。
濑谷启于8月8日到达兖州接任支队长，当日晚20时接到第10师团“作甲第119号”命令，令其作好进攻准备，以便在适当时机击灭津浦沿线之敌。师团参谋长堤不夹贵大佐还同时下达了书面指示，要求该支队以主力攻击时，须先进入界河附近，尔后按当时情况，期望能一举追至滕县南面地区。
8月13日，第10师团师团长接到第2军令其击灭大运河以北之敌的命令后，立即又向濑谷支队下达了应追击到临城的补充指示。
中国军队的第五战区第22集团军，发现当面之敌从8月4日起，不时以小分队向第125师阵地实施威力搜索，日军飞机也频繁进行空中侦察，立刻判断日军将发起大规模进攻。
为将敌军阻止于滕县以北地区，8月10日前后，孙震重新调整部署：将控制于临城地区的总预备队第122师师部及第364旅移驻滕县，将第124师师部亦由利国驿移驻滕县，并任命第122师师长王铭章为第41军前方总指挥，统一指挥第122师和第124师。王铭章将第122师的第364旅部署于滕县以北约8公里的沙河一带构筑阵地，加强正面防御的纵深；令第122师的第366旅进出至滕县东北约50公里的城前地区，掩护第45军第一线部队的右侧翼。
这时第45军第125师的第375旅主力在界河东西之线，第373旅主力在普阳山，第127师主力在龙山地区。
8月14日拂晓，日军濑谷支队在飞机、战车掩护下，从两下店开始向中国军队的阵地进攻，很快突破了石墙、下看埠、白石山以及香城等前哨阵地，进至深井、界河、普阳山及龙山等主阵地带以北之线。第22集团军第一线各部依托既设工事顽强抗击。日军猛攻竟日，中国军队虽然伤亡甚众，但阵地屹然未动。
15日拂晓，日军除继续由正面进攻外，还加强了两翼的攻势，并企图迂回至主力阵地侧后。右翼龙山一带因地形有利，又有第127师主力防守，所以形势尚稳定；左翼深井方面，第370旅力量薄弱，伤亡太大，形势危急。王铭章急调滕县城中仅有的一支战斗部队——第124师的第372旅至深井以南的池头集建立第二道防线，以掩护深井第370旅之后背，并加强纵深防守能力。
由于第22集团军的作战指导是企图以阵地防御将日军阻止于滕县以北，所以在日军进攻前后逐次将主要战斗部队全部部署于滕县城北各地，滕县城关地区仅有第122、第124两个师部及第364旅1个旅部，共有4个特务连的战斗部队。当战斗进展激烈、城外各阵地伤亡急剧增加、形势极为严峻时，第五战区电令孙震：“滕县为津浦路北段要点，关系全局，应竭力死守。”同时告知第20军团第85军正在驰援途中。孙震将情况及命令告知王铭章后，王铭章决定加强城防力量，固守待援，立即电令城前第366旅迅急回援滕县；令第364旅炸毁铁路大桥，留1个营防守北沙河，1个营防守城西洪町，其余撤入城内；令临城的第41军特务营赶赴滕县。
15日黄昏时，界河阵地已被突破，龙山被敌包围。由城前返回的第366旅仅先头1个营撤回滕县，主力在城头村附近与日军迂回主力部队遭遇，被迫向临城方向退走。至15日夜，滕县城关地区的部队虽然番号很多，但实际战斗部队仅有11个步兵连、1个迫击炮连，共约2000余人；此外还有师、旅部的4个特务连约500人，滕县地方武装约500人。总计约3000余人。由北沙河退入城中的第122师第364旅第727团团长张宣武受命为滕县城防司令，统一指挥城关各战斗部队。他部署由城前退回的第398旅的1个营防守东关，令第727团1个营防守东、北面城墙，令由临城赶来的第41军特务营防守西、南城墙；其余为预备队，控制于东门内。
日军濑谷支队进至滕县附近时将部队区分为两队。其支队主力进攻滕县，第63联队配属一部炮兵及战车，由辛庄、中顶山迂回至滕县以南，切断滕县中国军队的退路，并向临城攻击前进。
16日8时，濑谷支队留一部兵力继续进攻北沙河，主力迂回向滕县发起进攻。先对东关进行了约2小时的炮火准备，然后集中火力将东关外围土围墙轰开一个缺口，在猛烈机枪火力掩护下，以约2个小队的步兵向缺口处冲击。守军以密集的手榴弹火力封锁了缺口，并将敌击退。10时至16时，日军对东关连续发起了5次冲击，均被守军击退。但守军伤亡太多，曾3次从城中调预备队补充。日军经整顿后，于17时许又组织第6次冲击，突击部队改以三梯队实施波浪式冲击，同时还延伸火力向东门及城内实施拦阻射击，以阻止城内部队增援。经激烈肉搏，至黄昏时，日军突击部队第三波冲入东关，兵力约1个小队。当夜，守军再由城内增调1个连组织反冲击，将突入之敌大部歼灭，收复了东关。24时左右，防守深井、池头集的第370旅、第372旅残部及防守北沙河、洪町的第727团2个营先后由西门退入城中。此时滕县城北第45军各部均已在阵地被突破后分向微山湖及峄县等地溃退。
17日6时许，日军在飞机、炮兵火力掩护下再度向东关进攻，就在这时，南方突然飞来二十余架中国战机，对日军的飞机和进攻部队发起猛烈反击，轻松击溃对空防备不足的日军，使其本次出战仍未有进展。
这支突然出现的空军部队，正是从南京方向前来增援徐州的范哈儿部所属空中力量。
范哈儿虽然没有派遣陆军大规模增援徐州，但是对于电子侦察和空军支援上，还是非常配合的给予了李宗仁大量支持。在14日再次接到他的援助请求后，就立刻派出了飞机参战，并且在确定了今天日军的进攻目标，首次介入战事，顺利帮助守军击退日军进攻部队，很是给了李宗仁一个面子。
李宗仁一边继续指挥战事，一边却也不忘致电感谢范哈儿，希望他的空军力量，能够继续随时增援徐州战场。
对此，范哈儿当然是欣然应诺，表示没有问题。
虽然在上海的日本空军，在最近休整增援期间，实力得到大规模恢复，范哈儿的空中力量，即便同样得到了四川和苏联的援助飞机，但是已经不再绝对稳占华东地区的制空权了。这时候分兵支援徐州战场，却也是怕日军的华北空中力量，和上海的空中力量联合起来，一起绞杀了自己的南京空军，所以干脆提前出击，像教训日本的上海空中力量一样，先在日本华北空中力量的的心中，留下自己不可战胜的印象。
随后果然如范哈儿所言，几次出击，利益先进飞机加上地面情报优势，范哈儿很顺利的击退了日本南下先遣支队的空中力量。
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