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可以想象，被兵员缺额、战斗力衰退等问题困扰着的当方守备力量难以胜任平定土达叛乱的任务。除此之外，固原一带州县在成化二年毛里孩的入侵中损失惨重，守备固原指挥使哈昭之前也在抵抗蒙古人的战斗中阵亡。
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四月，靖虏卫分守参将刘清初征石城不利，最后以损失三百余人收场。陕西行都指挥使司随后又抽调了附近各卫总共三万兵马继续征剿，明军在石城外与土达激烈交战。不幸的是，指挥使申澄在交战中阵亡，明军再度败于土达叛军之手。
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明军战况令朝野坐立不安，兵部紧急调派各路大军再行攻讨，调兵范围也扩大到了延绥和宁夏二镇。五月，陕西巡抚都御史陈介、总兵任寿与宁夏总兵官吴琮所率宁夏镇官军率先抵达。他们不等与延绥都御史王锐和参将胡恺的部队会合，便擅自向石城开进。这时候突然有土达数千出城十里请降，陈介竟信以为真。可当部队毫无防备地拥向城下的时候，城中却突然冲出数以千计的牛羊，土达精兵手持长兵相继而出。这时陈介才知中计，然而猝不及防的明军早已阵脚大乱。任寿、吴琮且战且退，率部退守东山。陈介轻率的冒进令明军蒙受了巨大的损失，除了死伤五百余人外，遗失军器辎重不下数千，其中丢失有大将军炮两座。没来得及撤出山里的汉军皆被叛乱的土达杀死，明军中的土达则被强逼入城中协同叛乱。
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◎明洪武十年大铁炮
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几战过后，满四统领的土达叛军的声势也如同滚雪球般不断壮大，周边凡系土达者一律归于其帐下。明军再度战败的消息传出，朝堂上下风声鹤唳，甚至传起了满四计划袭击陕西各府县的风闻，一时间人心惶惶。满朝文武悚然认识到，固原周边的守军难以抵挡这股加速膨胀的势力。八月，朝廷再次从京营及甘州、凉州、延绥、宁夏、陕西等地调集官军、土司军总计三万三千四百四十六人，由都察院右副都御史项忠统领，再度进剿固原土达。明廷还委派南京大理寺卿马文升接替陈介，以右副都御史的身份巡抚陕西，协助项忠剿灭土达。
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马文升于九月初七出发，星夜兼程，九月十八到达陕西。自古兵马未动，粮草先行，马文升刚到陕西并没有立刻与项忠会合，而是对自己的部队晓以行军纪律，并调拨民兵防守城池以及运输粮草。他在陕西督办粮草，布防城池，部署完相关事宜后，于十月初一才赶到固原。马文升刚赶到固原，满四又耍了一个诡计。他在明军驻地外留了一纸文书，写道：如果朝廷允许我们居住在石城，并免除我们的粮税和赋役，我们就投降朝廷。马文升识破他的缓兵之计，加紧与项忠等诸将谋划攻城的方略。
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土达诈降诡计的故技重施没有骗过明军统帅，不过满四手里还拥有一张足以抗衡明朝三万大军的底牌，这便是土达所据守的固原“石城”。传说此城前身为唐代吐蕃王朝修筑的“石城堡”，唐将王忠嗣曾形容此城的险固“非杀数万人不能克”。石城一带地形突兀延绵，峻岭横生。满四因常在石城一带狩猎，深知此地有险可据。他选择扼守这片易守难攻的险要之地，等待蒙古部落在黄河封冻后穿越河套，南下策应。土达叛军占据该地后，在吐蕃石城的基址上增修了无数飞阁复道、长壕大堑，将四周的山峦峡谷纳入防御体系，甚至还在城外挖了一道深达丈余的壕沟，在整个石城周边构筑了一座坚固的要塞。马文升在其作品《西征石城录》中曾这样描述石城：“石城者，东西俱山，左山峭壁高数十仞，无径路，上者俱拽绳而登，西山顶平可容数千人。城中无水，有数石池。外设栈道，而栈道下则筑小城护之。前有小山，高亦数仞，如拱壁状，两傍空处并后面悉筑墙，高亦二丈五六尺，各留一小门，仅容单人马过之。”石城的铜墙铁壁外又有乱山环绕，地形恶劣得让人见之毛骨悚然。时至今日，千山万壑掩映下的固原石城遗址依然可为其当年的险恶证明。
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先前轻举妄动的明军就是在石城的重垣叠锁下马失前蹄的，所以项忠和马文升意识到了这座要塞的坚固与轻取的无望。他们着手谋划攻城方略。在详细分析了石城附近的地形以后，明军统帅经过缜密的谋划，最终敲定兵分六路齐头并举的方案。在总攻开始前，执行侦察任务的延绥镇精锐与城外的土达有过一次小规模交战，官军以折损二十余人的代价换取了土达的大量伤亡，令叛军大为恐慌。
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三日过后，连绵的军营里终于响起了进攻的号角声。几路明军齐头并举，大破前来迎战的土达部队，一路追击土达至石城城下，斩首叛乱土达二百余级，坠落山崖的土达不计其数，此战明军夺回铜炮、神机枪上千，牛羊马骡二千余匹。不过由于明军专注于夺取城外的物资，满四得以将残军收拢回城内。接下来的几天里，明军主队转入了攻城作战。同时，时年七十五岁的老将伏羌伯毛忠亲自挂帅，率军进据木沟。第二日他亲率四千甘凉精锐，配合进攻石城东南门的攻城主力，从东山路翻山越岭清剿石城外各山头上的土达叛军。这名老将命大军殿后，亲率二百骑冒着如雨注般的矢石长驱直入，对土达固守的炮架山发起突击。该处的土达面对精锐边军组成的明军前军毫无招架之力，当明军后军抵达时山上的敌兵已被悉数全歼。毛忠一鼓作气，又夺取了城西四峰。与此同时，中路明军虽然顺利地推进到了城下，但攻坚阶段的局面却是举步维艰。明军曾四度攻上石城，但无一例外被顽强的守军击退。几次强攻过后，敌我都已疲惫不堪，毛忠部的支援成了胜败的关键。
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眼看着毛忠部即将赶来支援项忠一路明军，以消灭西路山崖上的土达，当时明军在战斗中甚至都能隐约听见山上敌军家眷的哭声。然而战场局势瞬息万变，忽然间黄昏降临，山间云雾四起。一名明军哨官竟误向士兵发出了退兵的号令，使得局势转瞬间变得一发不可收拾。明军匆忙的后撤很快化作了一场溃败，土达趁势蜂拥而下，把山坡上身处前线的毛忠与寥寥数位将士团团围住。毛忠这位古稀之年的老将留下遗言：“势不与贼众同世而立！”接着驾马冲向敌阵，捍卫起从戎五十年的荣誉。部众见状，无不在其感召下奋不顾身地向敌阵发起冲锋。残部孤军奋战至下午五点，毛忠已身中多箭，最终在连斩十余名土达兵后力竭而亡。曾经北伐草原、西征雪域的一代将星就此陨落。
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边路毛忠军的溃败，令战场形势大变。石城上原本已经绝望到“相对而哭”的土达欢欣若狂，士气大振。土达全军开始了对明朝疲兵的反扑，截击毛忠的部队也向明军薄弱的侧翼包抄。顷刻间敌军如潮水般从西北两面袭来，一时全军大乱，明军见状纷纷后撤。混乱中，总兵官刘玉也不幸身中流矢，身陷敌阵。危急关头，项忠斩杀了一名临阵脱逃的千户，明军方才稳住阵脚，刘玉因而脱险。明军且战且走，弓折刀尽，再度败下阵来。
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明帝国边防史：从土木堡之变到大凌河血战 [:1700122313]
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明帝国边防史：从土木堡之变到大凌河血战 乘胜克捷：石城围攻战
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当月，彗出西方。明军功亏一篑、毛忠阵亡的消息也一并传往京师。战败的惊耗加上彗星的凶相，令满朝文武惶惶不安，朝堂上也为增兵的事宜争论不休。兵部以及抚宁侯朱永、定襄伯郭登担心土达会顺势突围北上，联合北虏，最终祸沿九边，于是请求调拨四万京营兵增员。大学士彭时、商辂两人则极力反对，认为项忠手上的军队有足够的能力平定满四。兵部尚书陈信言辞激烈，甚至威胁道：若战败，必先拿这两位阁老是问。两派争执不下，明宪宗只得诏问身为主帅的项忠的意见。身居一线的项忠对土达的实力还是有着较为准确的判断，他认为虽然明军铩羽而归，但敌军同样损兵折将。当月的大战几乎没有留给明军清扫战场的机会，明军却依旧斩获敌军首级数百，除此之外被明军铳炮击毙的敌军亦不在少数，史料记载“中伤堕崖涧死者甚众”。通观全局，此战中，明军虽然未达成攻克石城的战略目的，但是可以说重创了土达叛军的有生力量。项忠考虑到满四手下的约两万残兵还是有从封冻的黄河突围北上的可能，最终决定向朝廷请求将宣府、大同边军五千充作预备队伍。若战局继续恶化，则由抚宁侯朱永统领投入战局。
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此后，明军继续围攻。在围攻中，马文升敏锐地觉察到石城水源缺乏，粮尽援绝。于是明军烧遍了城边草地，很快土达的马匹便饿死殆尽。项忠又命人以人马尸体填塞满城外的泉眼，又设兵伏击夜间出城取水的土达。此时两军的交战集中在了石城南门外的东山一带。这块控制石城入口的咽喉之地两军已经多次易手，土达迫切地想要夺取这片要地。一天，据说土达祈拜的神明降旨道：今日出战，如果战胜则战况转危为安，如果战败，那我等就难逃被擒获的命运了。本已忧心如焚的土达叛军在信仰的蛊惑下，孤注一掷地向东山上的明军发起突袭。当时冲过去的土达大军见山上只有五百名甘州土司兵，无不感戴神明的庇佑。然而土达的轻进其实恰恰正中明军下怀，马文升已经提前做好了战斗部署——山上寥寥数百兵马不过是马文升放置的诱饵。土达蜂拥进入马文升精心挑选的战场，明军大队精兵突然出现在西面山坡上，浩浩荡荡直奔土达军薄弱的侧翼而去。在经过一场绝望的厮杀后，曾经来势汹汹的土达大军最终灰溜溜逃向石城。
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◎马文升画像
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这时甘州的明军增援部队也赶来投入到攻城作战中。明军的增兵和己方的惨败，令敌军士气回落到了低谷。满四为了扭转局面，就想故伎重演，以谈判为名谋害明朝统帅。他要求项忠、马文升、刘清三人亲自到石城下面谈。马文升见有土达数百甲兵环绕城门外，担心其中有诈，便率领数十骑前去城下，大声呵斥道：“你们这些无礼的叛贼，天朝将官皆在此地，你们为何用精兵埋伏四周，是何企图！”满四只好下令收兵回城，自己与手下几名头目假戏真做，出城面见明军将领。结果先前被土达扣押，后来成为叛军头目的满璹动了投降的念头。他向明军统帅辩解道：“我也是被人胁迫进城的，并不是叛乱的人。”于是项忠把满璹带回军营。而满四仍选择继续抵抗，他回城后命人立起木栅，欲与明军再战。
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◎《平番得胜图》（局部）
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此后，土达叛军继续采取坚壁清野的策略，凭坚固守，一时间战事相持不下。为消磨守军的战斗意志，明军开始在白天用铜大将军铳轰击石头城。伴随着明军炮口上的阵阵火光，石城坚固的高墙上碎石横飞，硝烟弥漫。一颗颗沉重的弹丸飞越城垣，落在城中惊慌失措的土达叛军头上，土达守军“死者不知其数”。
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不过明军对石城持续的炮击没能改变僵局，意志顽强的土达叛军仍旧坚壁不出。马文升也清楚地认识到，叛军一旦将战局拖入黄河冰期，蒙古部族将大规模南下河套，明军最不愿看到的土蒙合流就会变为现实。加之时值冬日，明军在野外已驻扎数月，军中畏难厌战情绪渐起，士气低迷。明军统帅认识到在这进退维谷的境地必须破釜沉舟，除了再次组织起一场强攻别无出路。