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闽南沿海解放后，9月26日第十兵团在泉州召开作战会议，决定在下一阶段以第二十九军和第三十一军攻占厦门，以第二十八军攻占金门。由于第一阶段进展顺利，总部要求第十兵团在中华人民共和国成立之前解放厦门，可是渡海作战的准备要比陆战准备复杂得多，部队感到这一要求实在无法达到。从9月下旬开始，解放军第十兵团投入了紧张的渡海作战准备，由于船只不足，攻击厦门、金门的时间被迫三次推迟，攻击计划也一再修改。直至10月15日，攻击厦门的作战才开始。厦门战斗，是人民解放军战史上规模空前的渡海作战的战例，战斗虽取得了胜利，却也留下了许多教训。
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当时渡海作战最大的难题是搜集船只，人民解放军这时不仅没有可用的军舰，在福建沿海的轮船、机帆船乃至大一些的帆船都被国民党军在撤退时掠走或破坏，第二十八军从福州南下时所乘木帆船大部分又在平潭岛被台风吹散，只好再从沿海和内河的渔民中继续征集。经过近一个月时间，第十兵团才征集到木船630只，船工1600人。征集到的这些船只较好的不过是木帆船，装载量也很少，有不少船还是靠人力划行的小舢板，一只船顶多坐一个班，遇到风浪很难控制。靠这些船只，一次最多可运载七个团（约1.5万人）的部队。
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鉴于船只不足，第十兵团将攻击时间由9月底推迟到10月上旬，到10月上旬又继续推迟时间。原定“金厦并举”的计划也已不能实行，只得考虑从“先金后厦”、“先厦后金”这两个方案中选择一个。经再三权衡，认为敌军已经动摇，先攻金门可能会使厦门之敌逃跑，不能全歼。同时，厦门在经济上、政治影响上及其他方面的地位远比金门重要，厦门守敌近3万人，金门守军约2万人，先攻击厦门可多歼一些敌军。另外，厦门距离大陆又比金门近，渡海要容易一些。因此，10月7日第十兵团上报三野司令部，提议先攻厦门，再攻金门。10月11日，三野司令部对十兵团指示：“七日电于十日收悉，同意你们来电部署。依战役及战术要求，最好是按来电同时攻歼金厦两地之敌。如以5个师攻厦门（有把握），同时以两个师攻金门是否完全有把握？如考虑条件比较成熟则可同时发起攻击，否则是否以一部兵力（主要加强炮火封锁敌舰阻援与截逃）箝制金门之敌，首求攻歼厦门之敌。此案比较稳当，但有使金门之敌逃跑之最大坏处。究如何请你们依实情自行决定之，总以充分准备有把握的发起战斗为宜。”接到这一回电后，第十兵团决定首先以第三十一军和第二十九军攻击厦门。
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越海攻厦门的决心，是集中一切力量，全歼守敌。攻击时采取声东击西的方式，以第九十一师全部和第九十三师一个团在鼓浪屿强攻，吸引国民党军主力。然后以第三十一军的第九十二师和第二十九军的第八十五、第八十六师在厦门实行偷袭（同时准备强攻）登陆，再向纵深发展以占领全岛。攻厦期间以第二十八军监视金门之敌，如发现其增厦门或撤逃，则立即对金门发起进攻。在战术思想上，强调越海作战只准前进不准后退，树立有我无敌的战斗决心，在动作上强调要有单船突击的思想。厦门岛面积128平方公里，东与金门隔海相望，西、南、北三面被大陆环绕，最近处与大陆相隔不足2公里。西南与小岛鼓浪屿邻近，鼓浪屿距大陆仅仅1公里。厦门市在近代一直是中国沿海的重要门户，抗日战争期间国民党军队和日本军队都先后在岛上筑有大量钢筋混凝土的永备工事。人民解放军进军后，国民党军又在岛上抢修了许多野战工事，敷设了大批地雷及各种障碍物，和原有工事结合，形成多层次的坚固阵地。从工事坚固程度看，厦门确实可居东南沿海诸岛之冠；不过从渡海难度看，厦门三面被大陆环抱，距离又比较近，登陆还有很多便利条件。
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防御厦门的国民党军主要是刘汝明第八兵团所辖的第五十五军，因其不是蒋介石的嫡系，因此蒋介石又决定将其嫡系主力第五军的第一六六师、第九十六军的一个团和一个装甲连调去加强该岛守备。新任福建省“主席”汤恩伯坐镇厦门，取代了刘汝明的指挥权；军统特务头子毛森率部分特务武装也直赴厦门，并担任了警备司令。10月7日，蒋介石还率国民党军政要员多人乘舰到达厦门视察，要求汤恩伯一定要固守厦门。当时，汤恩伯身边跟随着一个日本顾问，为其出谋划策，却又不公开此人的姓名。刘汝明到台湾后所写的回忆录中提到此人，还不知其姓名。7胡琏二十多年后在《泛述古宁头之战》中承认，这个日本人就是根本博。
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提到根本博，当时的中国人是很熟悉的。此人早在20年代就是以永田铁山、冈村宁次、东条英机为首的少壮法西斯军人集团的骨干成员，曾任驻南京武官，侵华战争中担任过驻蒙军司令官、华北方面军司令官，是头等侵华战争罪犯。只是因他在日本投降时坚决对抗八路军和苏蒙联军，最后把平津地区完整交给美蒋军队，因此倍受蒋介石优待，未被问罪即获释，在国民党军临近崩溃时又被汤恩伯从日本聘来充当顾问。这个双手沾满中国人民鲜血的日本战犯，在厦金防御战中实际成为国民党军作战计划的主要制定者。
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向厦门这样有坚固防御设施的岛屿发起进攻，在人民解放军战史上还是第一次。解放军第十兵团注意针对敌情进行了认真的研究，并开展了战前练兵活动。重炮兵团、炮十四团在战前组织看了地形，区分了射击区域，炮兵本身也在阵地上实行演习，测量瞄准。对火力也进行了较严密的布置，并构筑了比较坚固的火炮工事。由于进攻部队过去未进行过海战，各级领导事先对战士进行了沙盘教育，研究下船、登陆、破坏障碍、突破等具体问题。教育时分两步：第一步是演习航行，第二步是抵滩登陆，打敌反击。当时因国民党军掌握绝对制海权和制空权，解放军的海上训练都只能利用夜晚在海边进行。训练前用人力把船只抬到海边，训练后再趁天未亮把船只抬到岸上隐蔽起来。在下海训练前，许多干部战士听说越海就感到怕水怕风浪，对于木船无信心，怕沉海喂鱼。通过演习，加之又制作了大量简便的救生漂浮器材，终于打消了指战员们的顾虑。正式渡海前，各部队都举行了隆重的誓师大会，指战员对着刚刚制作出的中华人民共和国的五星红旗庄严宣誓，高呼：“坚决解放厦门岛，祝贺新中国的诞生！”
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10月15日晚6时，解放军发起了对鼓浪屿的进攻，以四个营的船队向鼓浪屿进发，以便按预定计划吸引国民党军的注意力，保证主力于当晚正式开始攻击厦门的战斗。
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部队航渡开始后，解放军根据早已测好的射击诸元，以设在大陆上的几十门火炮向厦门岛、鼓浪屿上的敌军阵地猛烈开火，其中以过去缴获的美制105毫米榴弹炮为火力骨干。在炮兵观测所的引导下，炮弹一串串落在国民党军在海边和纵深的阵地上。解放军炮兵的射击虽然不能完全压制岛上国民党军的火力，却使第一线的国民党守军一开始就陷入惊恐之中。在炮火掩护下，突击队纷纷乘船向对岸奋勇前进。
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1949年10月解放厦门
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攻击鼓浪屿的战斗开始后，部队表现十分英勇，但是也暴露出不少前所未见的新问题。尽管事先进行了训练，但是部队的教育训练脱离实际，搜集的船只中江船很多，而且海边演习与海中风向、潮流是不同的，因此一旦入海战斗起来，立即出现许多意外情况。发起攻击前，部队对海情的详细调查、具体掌握计算都很不够，特别是以过去在江中的经验来根据风向、潮流计算风船的速度，船只到海中就掌握不住。此外，部队也缺乏气象知识，在风浪很大的情况下出海航渡。虽然鼓浪屿最近处距大陆仅1公里，可是第一梯队起航后大部分船只被风吹散，少数船只零散地抵滩后，部队又在滩头遭到敌人火力的严重杀伤。第二梯队起航后，很快又因风浪太大而大部飘回，起航的第二七一团部队中只有两个排能够在鼓浪屿登陆。
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在鼓浪屿登陆的部队虽然为数很少，又与后方失去联系，但是他们发扬了过去长期斗争中锻炼出的孤胆作战的精神，下层指挥员失去上级的指挥时仍独立坚持战斗。第二七一团团长王兴芳冒弹雨率指挥船抵滩，英勇牺牲。其他的同志仍奋不顾身向敌人阵地冲击，占领了一部分前沿阵地。不久国民党军发起反击，登上鼓浪屿的部队在完全失去后援的情况下直至战斗到最后一人。第三十一军于当天夜间又要求第九十一师组织三个营继续强攻鼓浪屿，却因风浪太大无法靠岸，被迫暂停攻击。
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10月15日解放军攻击鼓浪屿的战斗没有成功，但是却吸引了厦门本岛的国民党军的注意力，使其抽调仅有的一个师的机动部队前往增援，这为当天晚间在厦门本岛北部偷袭成功创造了重要条件。
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在鼓浪屿上的浴血苦战刚刚以失利结束时，解放军第三十一军和第二十九军四个师中抽出的五个团突击部队于10月15日夜晚向厦门北部发起偷袭。几百艘木船在茫茫夜幕掩护下顺风顺流，很快驶向预定地点。当晚20时，国民党守军发现解放军的船队时，第三十一军的大部队已经在岛北部多处抢滩登陆。解放军的炮兵也在这时猛烈开火，摧毁了国民党军在海边的许多堡垒和工事。不过由于事先计划不周，第九十二师的一个营的船只在宽约千米的淤滩前靠岸，部队涉淤泥在敌人火力下艰难运动，伤亡很大，但仍奋勇前进。第二七四团二连战士陈勤在登陆后，枪被泥沾上打不响，前面有地堡封锁，他用自己的身体封闭地堡，掩护了后续部队登陆。该团九连的船错漂到狐尾山一带，就机动地运动直插，向寨上攻击与主力会合。第二七三团三营、第二七五团一营登陆时都失去上级指挥，靠自己组织部队攻击取得了胜利。第二七一团、第二七七团不少人登陆后独立战斗，因后续部队上不来而被各个击破，但是指战员都和敌军拼搏到最后。第二七七团一营航行时有的船工伤亡，战士起来摇橹划桨，第一个被打倒，第二个上去摇，终于将船摇到岸边。经过艰苦奋战，第二天清晨解放军登陆部队终于占领了第一线阵地。
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15日夜间21时，由集美东北起航的第二十九军一部又在高崎东侧登陆成功，并在炮兵掩护下连续爆破，摧毁了国民党的多道障碍和堡垒。高崎是日本侵略军占领厦门时为防美军登陆而修筑的海防要塞，号称“海上堡垒”，是国民党军在厦门岛防御的主要支撑点。经一夜激战，解放军终于攻克了这个要塞。16日天明后第二十九军又一举攻占高崎机场，国民党丢弃一架运输机和被破坏的几辆坦克，向南逃窜。这时，由于解放军多处登陆成功，守岛的国民党虽然竭力反击，却已陷入顾此失彼，阵地到处被突破的狼狈境地。
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至10月16日中午，解放军的部队已经在10多公里宽的正面全线突破国民党军的防线，建立了稳固的滩头阵地。由于厦门岛距大陆又比较近，返航的船只冒着敌机轰炸，很快接运到第二梯队的部队源源上岸。到这时，汤恩伯才判定解放军的主攻方向不在鼓浪屿而在厦门本岛北部，于是又调动手头仅有的一个团和特务头子毛森的警备司令部特务营，在飞机掩护下进行反击。解放军一面施放烟幕迷盲敌机，一面以近战狠狠打击接近的敌军反击部队。至黄昏，国民党军反扑部队残部狼狈向岛南部逃窜。这时，汤恩伯等已经完全失去守岛的信心，率先向海边逃窜，其部队失去指挥，也纷纷各自奔逃。
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10月16日黄昏，解放军插入厦门本岛的中央，岛上的国民党军完全陷入混乱。这时汤恩伯一边向厦门港逃跑，一边用报话机直接呼叫海边的军舰放小艇来接应。黄昏正值退潮，小艇难以靠岸，汤恩伯在海滩停留了一个多小时，焦急之际，不断地向军舰呼叫救援。当时解放军第十兵团司令部在监听的报话机中清楚地听到这些呼叫声，司令员叶飞急令部队向厦门港追击，活捉汤恩伯。可是先头的追击部队只顾向他处猛追，不同后方联系，报话机呼唤不通。结果在部队进至厦门港时，汤恩伯和几个亲随已经等到小艇逃下海直奔金门，解放军先头的追击部队又未携带火炮，只好看着他们逃走。被汤恩伯丢下的3000余名官兵大都还在港口附近，结果全部当了俘虏。得知前锋部队忽视联络而放跑了汤恩伯，一时全兵团领导对此都引为憾事。
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汤恩伯逃跑的同时，早已无心防守厦门的刘汝明又按照其尽量保存实力的一贯打法，急忙令其所属部队下海撤往台湾。但是，由于解放军追击迅猛，他的第八兵团部队大多未能逃离厦门，只残剩4000余人上船，其余全部被俘。
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10月17日晨，解放军进入厦门市区。守备鼓浪屿的国民党军见厦门已失，急忙寻船向小金门逃窜，解放军第三十一军又乘胜于鼓浪屿北部登陆，俘虏了未及逃走的国民党军1400人。
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厦门作战仅历时两昼夜即胜利结束，人民解放军全歼国民党军第八兵团司令部、第五十五军和第五军第一六六师，共计2.7万人，其中俘虏2.5万人。刘汝明率残部4000人虽然逃到台湾，但是他保存自己实力的企图还是最后落空。据刘汝明后来在台湾写的回忆录记述，他率部从厦门经小金门转逃台湾，上岸时就接到陈诚的命令，部队被迫放下武器。此后，高级军官解除职务，兵员编散分配到各军8。至此，刘汝明部作为“杂牌”的西北军的最后一支部队，在国民党军中完全归于消灭。
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厦门战斗的胜利，为人民解放军进行渡海作战提供了重要的经验，它证明了当时在没有海空军掩护的情况下，依靠木帆船作为主要航渡工具仍可以完成近海岛屿进攻任务。在岛屿进攻战中，发扬人民解放军英勇顽强、在政治上压倒一切敌人的光荣传统，只要有相当数量的部队上岸，以有进无退的精神勇猛穿插，就能粉碎任何国民党军的抵抗。从岛屿进攻战的特点看，当时取得渡海进攻胜利的关键，是需要足够的船只，能运载超过或相当于守岛敌军兵力的登陆部队上岸；还需要利用夜暗条件航渡，以避开敌人海空军和岸防火力对我航渡部队的严重危害；登陆部队事先还需要有充分准备，我方岸上也要有一定的火力进行掩护。第一次鼓浪屿登陆未成功正是因上岸兵力太少，厦门登陆一举成功则是因为一次即上岸五个团，后续部队又能源源不断地跟进，保证了连续进攻夺取全岛的胜利。
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五星红旗胜利地插上了厦门岛，宣告了福建全省乃至东南沿海所有城市的解放。蒋介石原先在东南沿海的确定五大战略据点（舟山、金门、厦门、台湾和海南岛）也就此失去了其中的重要一点，沉重地打击了企图凭借福建沿海岛屿建立防线的国民党军。厦门解放后，人民解放军只由第二十八军继续准备攻击金门，第10兵团领导的主要注意力转入了城市接管工作。
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