1933年5月，日軍第6師團、第8師團攻佔灤東，並迅速突破灤縣、遷安、兵河橋等地兵鋒直指平津而來。堅守前線的中國守軍抵擋不住，節節敗退。5月13日，日軍第8師團佔領古北口石匣鎮，19日又攻下密雲，北平城危在旦夕。

傅作義

日軍來勢洶洶，北平形勢危急，時任北平軍分會代委員長何應欽急調駐防在張家口的傅作義59軍回防北平，集結在北平週邊的昌平縣待命。隨著戰局的發展，第59軍又被調往懷柔以南的牛欄山一帶防守。大戰在即，傅作義親臨牛欄山指揮作戰，他根據牛欄山一帶的地形特點，迅速構築起了兩道防線，第一道是經石廠、高各莊、齊家莊一線，第二道是半壁店至稷山營。

各部隊戰鬥部署如下：第59軍第218旅（旅長曾延毅）附炮兵第三營為右區隊，駐守在懷柔西北高地經石廠一線；第210旅（旅長葉啟傑）附炮兵第一營為左區隊，右接218旅至高各莊一線；211旅（旅長金中和）附炮兵第二營駐守在半壁店至稷山營一線；軍指揮部在昌平縣小湯山東北的肖家村。

晉綏軍

5月21日拂曉，日軍第8師團派出小股部隊向218旅436團一營陣地進行試探性進攻，團長董其武下令第一營痛擊來犯之敵。第一營官兵埋伏在山崗上、壕溝裏，日軍偵察兵沿著山下壕溝悄悄潜來。鬼子以為萬無一失，不料第一營的機槍早已經瞄準了他們，隨著機槍的火舌噴射，日軍被當場打死5、6人，其餘鬼子見勢不妙，拖著屍體倉皇敗逃。

5月23日淩晨，日軍8師團之鈴木旅團及川原旅團的福田支隊，以坦克10多輛，山炮，野炮30餘門，在10多架飛機的掩護下，向218旅和210旅防區的結合部發起猛攻。日軍先以飛機投彈轟炸，繼以火炮猛轟，最後坦克出動，分兵數路向第59軍前沿陣地衝擊。當夜星光閃爍，日軍的鋼盔、刺刀在星光下閃爍著淡藍色的光芒，陣地被日軍的坦克碾壓得顫抖不已。

炮兵陣地

在第436團的最前沿，第10連連長張惠源指揮全連官兵與如潮水般汹湧而來的日軍激戰，戰鬥一直打到上午7點鐘，全連100多名弟兄僅剩下了張惠源連長和傷兵7人。在戰鬥中，日軍的坦克對第10連造成了極大殺傷，日軍坦克橫衝直撞，第10連的手榴彈無法擊毀日軍坦克。不少阿兵哥抱著集束手榴彈沖向鬼子坦克，但由於防守的位置突出，戰士們才從戰壕中躍起就暴露在日軍火力網中，囙此傷亡慘重。第10連犧牲慘重，董其武不得不下令後撤。

上午9點鐘，日軍又以步炮聯合，向第436團及420團陣地發起同時進攻。守軍依託牛欄山地形優勢和堅固的工事，與日軍進行激烈戰鬥。日軍的炮彈落在山上，炸得土木山石四處飛濺，幸虧兩個團的守軍工事做得很好，散兵坑排布錯落有致，降低了不少傷亡。日軍如蝗蟲般湧向守軍陣地，波浪形的攻擊一波接著一波，反復不止。董其武團長和薄鑫團長（420團）指揮守軍與鬼子反復衝殺，鬼子的屍體堆滿了山下的壕溝、山坳，慘烈的白刃戰在第一線反復打響。激戰到10點鐘左右，日軍再次被打退，鬼子狼奔豸突一般奔下山去。

北支日軍

中午時分，久攻不下的日軍惱羞成怒，出動6架飛機對守軍陣地進行狂轟濫炸，隨後又以重炮10餘門重點炮擊436團和420團陣地。一瞬間，炮彈如雨，接連落在守軍的陣地上。

第436團的重機槍連堅守第一個小高地，一個小時之內射殺鬼子20多人，但在日軍的優勢火炮轟擊下，全連僅剩下二班代張恒順一人倖存，其餘全部壯烈犧牲。在機槍連附近的第11連，連長楊根勝被炸斷雙腿，其餘阿兵哥全部犧牲。

中午12點鐘，日軍終於被打退了。在平谷公路大道兩側的高地坡崖上，橫七豎八地倒著傷亡的日本兵。第436團也付出了巨大的代價，堅守在第一線的第2營兩個連傷亡三分之一。第436團指揮所頂蓋被日軍炮彈掀翻，兩個電話員一死一傷。董其武的帽子也彈片打飛，差點被日軍炮彈的彈片擊中犧牲。

日軍進攻

下午13點，第436團粉碎了日軍第7次進攻，日軍見久攻不下，於是改變了作戰策略。鬼子以飛機6架、大炮10門作掩護，在鈴木旅團長親自指揮下，騎兵第72聯隊配合步兵早川聯隊從長園堡偷渡過河，向420團的左翼迂回。日軍很快攻佔了白河村，直接威脅到了420團陣地。

情况危急，傅作義緊急調211旅421團孫蘭峰部跑步前進，迅速支援210旅陣地，策應218旅和210旅。孫蘭峰團的加入立刻截住了日軍的進攻步伐，中日雙方進行了激烈的陣地爭奪戰。激戰中，陣地失而復得，前後易手三次。一直打到下午18點許，被日軍攻佔的陣地全部被收回，日軍被趕出了牛欄山。

北支日軍

牛欄山一戰，59軍苦戰日軍10多個小時，打死日軍346人，打傷660餘人，而自身僅傷亡700餘人（367人犧牲）。在敵我裝備和阿兵哥素養差距懸殊的情况下，這是一場不折不扣的勝仗，也是一場難得的勝仗。之所以取得如此戰果，主要依賴於牛欄山的地形、工事掩體的設計與排布得力，還有將士們的浴血奮戰。戰後，第59軍獲得了55000大洋的嘉獎，並通令全國錶揚。

第59軍在牛欄山一線的戰鬥，狠狠挫敗了日軍鈴木旅團。據戰後日本防衛廳編寫的《中國事變陸軍作戰史》記載，日軍鈴木旅團的早川大佐在戰後感歎：“華軍第59軍似下山的牛欄山猛虎，皇軍在此遭到阻擊，停步不前。”

守軍使用的砍刀

然而全軍獲得嘉獎之後，傅作義非但沒有高興起來，反而氣得破口大駡。原來就在勝利的當天，日軍主力佔領了冀東大片領土，守軍被迫退守平津附近，日軍將北平三面合圍。當局驚慌失措，積極謀求與日軍簽訂喪權辱國的城下之盟約——《塘沽協定》。根據這份協定的內容，日軍將不費一槍一彈就能輕鬆控制冀東22縣，華北大片領土陷入敵手。

當59軍還在前線浴血奮戰時，當局就已經與日軍秘密交涉，並且勒令第59軍停止進攻，向高麗營附近集結撤退，原本獲勝的59軍非但沒能繼續乘勝追擊，卻要無故後撤將陣地拱手讓人，犧牲的300多名弟兄的血白流了。傅作義不肯撤退，參謀長勸他：其他部隊早就放下槍不打了，我們就算繼續打也改變不了結局，這也是沒有辦法的事情。

戰場遺址

5月23日下午6點，傅作義不得以率領59軍從懷柔牛欄山一線撤退，全軍將士一路上罵罵咧咧，一些人氣得眼淚直流。當時傅作義的秘書寫了一首詩歌來表達當時的憤怒心情：

塘沽協定事堪傷，自拆樊籬引虎狼。

死戰懷柔堅不退，放完最後一聲槍。

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