南疆警备司令部的作战室里充满紧张气氛，参谋人员们不停地忙碌着，把多伦前线的最新敌我态势标示在地图和沙盘上。
6月15日，日军第31联队彻底切断沽源到多伦的道路，第8师团从容达成对抗日同盟军北征部队的包围。
鉴于第16旅团渡过上都河时遇到的顽强阻击，小心谨慎的西義一师团长连续两天命令前线炮兵发起试探式的射击，意图引诱城内炮火的反击，以确定对方火力强度和阵地位置。
16日傍晚，第8野炮兵联队此次随行的两个大队剩余五个中队30门加农炮终于全部抵达城下（第一中队在上都河战损）。
17日拂晓，6点30分左右，日军所有的重炮一起开炮，城内顿时一片火光冲天。虽然这些重达2594公斤的105毫米加农炮都是1905年开始入役的老家伙，但18公斤的炮弹和近11公里的射程依然给守军带来巨大的麻烦。
为了保证摧毁守军的坚固工事，野炮兵联队当天为每门加农炮准备两个基数的弹药（1个基数为50发）。在第一波攻击中，日军重炮阵地就发射了千余发炮弹，砸在东门的碉堡群和城墙内外的防御工事上。
东城外步2旅2团的防御阵地顿时被硝烟和爆炸掀起的沙土笼罩，能见度降至不到十米，最差的地方甚至只有二、三米。在日军饱和式炮击中，许多士兵在防炮洞里被震晕过去，甚至被硝烟所窒息。阵地上所有目标被炮火扫荡一空，守军架设在阵地上的重武器大部被毁。
第32联队的两个大队乘势冲上阵地，这才明白冲锋为何如此顺利。2团在东门外前后挖掘两明一暗三道工事，一线的外壕倒塌，铁丝网被炸飞，火力支撑点也基本被炮火摧毁，但二线的暗堡群一字排开，刚跳下一线阵地的日军士兵还没有看清人影，就被交叉火力扫倒。
后面的日军听得阵地上枪声大作，知道战况激烈，更加拼命地往上冲。一线的大队长迅速判明机枪掩体和迫击炮阵地等威胁来源，组织平射步兵炮和中队的掷弹筒进行定点清除。这时日军射手显示出极高的战斗素养，在硝烟弥漫中准确地一个一个命中守军的火力点。
眼见二线阵地的火力渐渐弱了下去，2团的刘金石团长当机立断，立即下令两个营在旅野炮连的支援下发起反冲锋，利用分队自动火器多的优势和日军在阵地上展开混战。
中午时分，第32联队的第一次冲锋最终败下阵来。两个大队长一名丧命，一名重伤，八个步兵中队几乎全部打残，单单带下来的尸体就超过400具。
川原侃少将沮丧地放下望远镜，下令阻止了联队的再次攻击。师团如此猛烈的炮火居然未能对守军的防御造成毁灭性打击，以至第32联队轻敌下伤亡惨重。而第16旅团一共是两个联队六个步兵大队的编制，要是这样不计伤亡打下去，即使攻下多伦，整个旅团恐怕也活不下几个。
他苦，2旅的刑占清旅长心里更苦。2团伤亡超过2000人，城外工事几乎尽毁，暴露的旅属野炮连也遭到日军重炮反击，8门野炮损失殆尽。1团攻打多伦时损失甚重，和程济勇团一起接收了察哈尔独立支队的新兵，勉强补足三个营的建制。不得已之下，他只能在城外最后一道阵地放一个营，其余部队开始进入城内房屋和街道的防御工事，随时准备最后的巷战。
6月17日、18日，日军从赤峰机场起飞的二十余架川崎八七式重爆击机对城中所有区域做地毯式覆盖轰炸。而野炮兵联队的加农炮配合第16旅团的平射炮、山炮向多伦城垣倾泻了大量的炮弹，东门外的所有防御工事几近全毁。
18日下午，北路前敌总司令方振武的张人杰军宋铁林第1师和第3军应占彪第1旅前进到距多伦仅10余公里的前、后孤子山，遭到日军第31联队一个大队的激烈抵抗。
西義一不敢怠慢，以第4旅团步兵第5联队留下一个大队在元山防止守军往南突围，联队主力在服部保旅团长的率领下会合第31联队，阻击方振武救援部队的同时加紧对西城的攻击……
多伦战斗已经进入最后的时刻，路德目不转睛地盯着墙上的地图，看着象征日军主攻方向的红色箭头从东、西、北三个方向突进城内。
为了尽快拿下多伦，西義一被迫动用日军骑兵集团直接从北面配合进攻。骑兵第1旅团的高波祐治旅团长亲自徒步上阵，率领骑兵第13、14联队（各3个骑兵中队和1个机枪中队，第2中队均留守国内）、旅团机枪队和骑炮兵中队猛攻徐荣华第4师和察哈尔自卫军张子光第1师防守的北城阵地。
6月20日晨，经过短暂休整和补充后，日军从三个方向发起总攻击，西義一也派出了最后的杀手锏。第8师团临时配属的第一战车队（**式中型坦克5辆和九二式重装甲车2辆）和骑兵第1旅团中实验性质的的自动车班（九二式重装甲车7辆）混在攻城部队中出击。
缺乏反装甲重武器的北城防线被率先突破，第2军投入了新编的独立旅，和城防阵地上退下来的部队利用既设工事节节抵抗。在日军第16旅团和战车队的全力攻击下，第3军尽管各团均编有一个战防炮连，但连日作战中投入火力支援，被日军步炮兵摧毁甚多，在击毁2辆**式中型坦克后也被迫退入城内。
多伦危在旦夕，路德的心情愈发沉重，而方振武的援军在服部保第4旅团的反击下损失相当惨重，张人杰军一个师和应占彪旅的一个团均已打残，想依靠他们救出守军更是希望渺茫。”
更糟糕的是……
“多伦急电，22日，日军骑兵第4旅团从侧翼击溃方振武的米文和第4军。张人杰率领第1军所属的杜光明第2师、宋克宾第3师和谷有祺骑兵旅宣布脱离抗日救**，归附华北**。方振武余部不得不放弃救援，退回沽源。”
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