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30日上午，日軍在空軍及艦炮的火力掩護下，展開全線進攻，在香山的炮兵陣地炮聲不斷。小小的馬當要塞吸引了全國的目光，連駐武漢的各國使領館的武官，也紛紛向軍事委員會申請，要求親臨前線觀察。

老蔣再次下了血本，他命令，一個由南京突圍老兵組成的獨立團，立即進入馬當要塞，歸要塞司令部直接指揮。還團配備了徳式頭盔和防毒面具，輕武器全是蘇械，還加強了兩門山炮和兩門37戰防炮，要塞內的防衛力量頓時得到了加強。

7月1日，日軍為主攻馬當要塞的波田支隊，再次補充了四千名新兵，海軍則補充了2000名海軍陸戰隊。并再次為馬當前線加強了一個150毫米重榴彈炮聯隊和一個105毫米遠程野戰加農炮聯隊。

日軍第十一軍軍長岡村寧次急電106師團，要求他們立即馳援馬當方向。

7月2日起，日軍以陸海空軍協同作戰，全線釋放毒氣。馬當要塞的炮兵在還擊時，意外發現了三百余發日式毒氣彈，這是趙誠上回帶來的禮物。當兵的打急了眼，直接都用上了，結果正在集結，準備發動進攻的日軍步兵吃了大虧。

中國軍隊化學戰水平較低，日軍用化學武器一直順風順水，每次都是必殺技。所以當毒氣彈落下的時候，氣味被正常炮彈爆炸的硝煙味所干擾，等日軍指揮官發現是芥子氣的時候已經有超過三個中隊的官兵都中毒了。日軍上下大驚失色，他們以為中國軍隊也有了化學戰能力、而且敢于使用。這個消息被迅速上報給了日軍第十一軍司令官岡村寧次。岡村緊急下令各部隊暫停使用毒氣彈，并封鎖士兵大量中毒的消息，這種用毒氣彈對攻的局面日軍也承受不起。最關鍵的一點是岡村根本不知道中國人手里還有什么底牌，一上來就是用芥子氣，下一步會用什么？是蘇聯人提供的，還是米英鬼畜提供的……

前線的中國士兵損失慘重，有些陣地已經全員陣亡，好在新上來的獨立旅是有德式防毒面具的，好趙誠他們也先后移交了400多具日式防毒面具，國軍總算守住了馬當要塞內的陣地。

7月3日，暴雨從凌晨一直下到了夜里。日軍沒有進攻，國軍則在拼命加固陣地。趙誠的守備隊因為傷亡過半，乘坐汽艇離開了馬當要塞，他們還帶走了一部分傷員。

7月4日，日軍101師團在香口鎮登陸，日軍調集近百艘各種汽艇和機動船到達香口鎮。同日，安慶機場被日軍搶修完畢，大批日軍戰斗機進駐安慶機場和蕪湖立機場。中國軍隊的麻煩來了。

7月5日，天一亮日軍飛機就飛抵要塞上空開始轟炸，日軍集中所有軍艦及遠程火炮猛攻長山陣地。僅一個上午，守軍的兵力就下降了一半。167師不斷向要塞派出營連級部隊進行增援，但在日軍的炮火阻攔下，抵達陣地的士兵往往只有一半。下午一時，日軍用小型汽艇裝載炸藥，試圖在封鎖區為大型艦只打開通道，被守軍用火炮所擊毀。下午四時，日軍使用加裝鋼板的小型汽艇、登陸艇六十余艘，在火炮掩護下，裝載步兵一個大隊在長山陣地前搶灘登陸。日軍利用汽艇上的重機槍，為攻擊部隊提供掩護。兩個小時以后，日軍占領長山陣地，守軍除小部突圍外，全員殉國。

5日夜，16軍殘部對長山陣地之敵發動營團規模反突擊7次。激戰一夜后，全軍剩余兵力不足三個團。6日，日軍對要塞剩余陣地發動總攻。

7月7日上午，馬當要塞失守。日軍情報人員立即檢查守軍炮兵陣地，發現了大量日造毒氣炮彈的包裝箱。他們將這一發現迅速報告岡村寧次，并查明了炮彈的來源。，在估算了中國軍隊毒氣炮彈的存量后，岡村下令各部隊恢復特種炮彈的使用。

日軍攻陷馬當要塞后，于7月9日以爆破方法打開馬當封鎖線，很快疏通了長江航道。隨后，波田支隊及106師團等部在海軍的協同下，沿江繼續西進，攻占彭澤。