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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。
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但在土达完备的防御工事下，强攻登城绝非易事，明军首先要克服的阻力便是石城前那条深度超过三米的壕沟。马文升的对策是用土石填平，不过如此一来填土的部队就会完全暴露在守军的投射火力下。于是，马文升根据棚车与云梯等攻城器械的设计思路，设计出了一种兼备掩护工兵填埋战壕和攻城功能的临时器械。他命人将周边城池上的围杆木取下，绑缚成“天桥”，安装在可以自由牵拉的厢车底盘上。然后命令士兵将车推到壕边，将天桥放倒在壕沟上方遮蔽守军的箭矢，以掩护明军在壕内填土。很快，明军的人马军械就能够在石城城墙外畅行无阻了。此后，土达叛军又无可奈何地看着明军将此车推到城下，把天桥的一端精准地搭在二丈五六尺高的城头上。两军的决战即将拉开序幕。
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然而就在这时，城外明军的中军大帐里却再起争执。有些将领担心攻击城墙会造成大量伤亡，经过激烈的争论，最终明军还是取消了强攻的计划。但出乎明军意料的是，惊弓之鸟般的叛军见明军欲大举攻城，纷纷出城投降。马、项两人不但决定放投诚的土达一条生路，而且赏赐给降兵银两，甚至派出通晓番语的人前去城下传话。如此一来，城中越来越多的土达在明朝优厚条件的诱惑下，不顾满四严苛的军法，在求生欲的驱使下出城投降。
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明军大张旗鼓地招降纳顺，甚至引诱来了满四最为倚重的谋士阳虎力。十一月十六日，马文升将他招至明军帐下，许诺如果生擒或者杀死满四，朝廷将重赏其白银一百两、黄金一百两，并擢升其为指挥。重赏诱惑下，阳虎力透露了土达叛军的行军动向，并向马文升保证第二日自己将骗满四亲率主力突围，并将其带入明军设下的伏击圈。这桩事关全局的密约在明军内部仅有少数几名高级将领知悉，并且反对者居多，主帅项忠也对这名敌军将领持将信将疑的态度。最终马文升力排众议，撤换下原来的延绥军，将自己统领的中路军调防东山口，设伏静候满四统领的土达主力部队。
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第二日，东山上出现了几百名盔明甲亮的土达精锐。明军向城门眺望，果然有一人骑着白马，在众军裹挟下向东山行进。马文升稳住全军，命令东山一路少量的明军稍作抵抗即佯装败退。满四后军果然如马文升设想的那样匆忙与前军会合，直奔明军设下的诱饵而去。当满四率领着全部主力毫无戒备地踏入伏击圈的时候，蛰伏已久的明军立刻从四面杀出，叛军顿时乱作一团。土达士兵仓促迎战，进行了顽强的抵抗，不过随着其他各路明军源源不断地开赴东山口，叛军的顽抗还是化作了一场不可抗拒的溃败。在激战中，满四被击落马下，最后被明军擒获。战斗以明军全歼敌军的大获全胜告终，明军斩获首级七千。捷报传开，陕西各州县民心大振。
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自满四的主力被全歼，战局的主动权完全落入了明军的掌控之中。马文升想要一鼓作气拿下石城，但项忠担心土达在最后关头的困兽犹斗可能会给明军造成严重损失，以“恐仓促难拔”为由，取消了强攻的计划。第二日，城中土达又拥立原平凉卫达官镇抚火敬为叛军领袖。然而，缺少了满四的统领，残存的守军早已人心涣散。刘玉希望尽早结束这场旷日持久的围攻战，于是建议项忠命明军撤围，放任城内的残兵败将散去。项忠则认为土达叛军的抵抗意志正处于冰消瓦解的前夜，坚持将包围继续下去。果然如项忠所料想的那样，十天后，残存叛军的士气终于土崩瓦解，一夜之间全军作鸟兽散。项忠令明军追击漫山遍野四散奔逃的土达，又斩获数千首级。包括满四侄子满能在内的百余名叛军首领家属也被明军一网打尽。
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◎《平番得胜图》（局部）
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此后，残存土达又败逃至彗箒山，搭建了数十顶帐篷继续抵抗。明军屡次招降，他们都不肯投降。这时项忠突然接到了延绥镇的急报：有一队千余人规模的蒙古军队出现在了沙窊寺一带，不时地以三五百骑的规模在边墙附近出没。这支姗姗来迟的军队明显已无力左右战局，而且这一小股蒙古军队还选择了河套以东守备空虚的延绥镇作为目标，刻意避开了明朝集结在河套西南部固原一带的平叛主力。这背道而驰的行军方向无疑说明：蒙古人此次南下的目的只是想接着土达叛乱，乘虚而入劫掠钱财，并不是真想支援固原土达的叛乱。因此，土达如飞蛾扑火般的反叛只不过是一厢情愿地为他人作嫁衣，成为蒙古人南侵的炮灰和铺路石。
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面对蒙古人趁机南侵的现状，项忠决定留三千精兵收尾，剩余部队班师返回固原。为防止今后再有叛军盘踞石城，明军出发前派遣了一万多人，彻底夷平了这座要塞，并在山下刻石铭记这场来之不易的胜利。同时，延绥方面也开始与大规模蒙古骑兵交战。首先是三千多名蒙古人在迤西泥涧滩等处抄掠，被参将胡凯领兵击败，俘虏二十余人，解救平民十一人，夺回牲畜二百六十多头。十五日，游击将军许宁与三千多名蒙古人战于迤东沙河墩，明军结阵力战，最终将敌人击退。当晚又有数千敌军劫掠焦家川，杀掠平民与牛羊数百，许宁与高家堡指挥随后率领官军出境一百五十里，大败敌军，夺得牛羊马匹千余而返。
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随着延绥方面捷报频传，当月，败退彗箒山的残余土达也被明军剿灭，固原土达之乱尘埃落定。
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自也先打破边墙内外的军事格局后，蒙古诸部的频繁入套南略、土蒙纠合、满四反叛，其实都可以看作是土木之变产生的蝴蝶效应。仅就土达叛乱事件来看，虽起自满四自身的违法行为，但这种违法行为与纷繁复杂的政治、军事、民族因素交错在一起，最终才演变为一场规模浩大的部族叛乱。明代史学家高岱在其所著的《鸿猷录》中对满四反叛一事有一段较客观的评述：
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“（土达）虽然非我族类，其心必异，狼子野心之众乃使之聚处边境，密迩塞下。具鲔北泳，越鸟南翔，能保其百年无异为哉？今降胡多处畿辅之地，国家承平，彼何敢肆。万一胡马南牧，气类感召，则满寇之乱不但固原尔。也往也先寇京师闻亦有说，幸其驱荡平定之早耳。”
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自洪武之初满四的曾祖父万户把丹被授予平凉卫正千户以来，满四家族一直拱卫明廷西北疆土近百年。但是事实证明，这种较为松散的羁縻体制最终会由于外族势力的逐步渗透而被破坏。无独有偶，早在二十余年前，瓦剌也先太师席卷女真诸部时，就曾将招抚文书传予诸酋。结果原本“世受节制”的建州三卫立刻归附为蒙古人的耳目，1450年女真攻抚顺之战便是建州三卫转投新主的投名状。与蒙古人并没有多大血缘关系的女真人尚会见风使舵，主动当起蒙古人的马前卒，更何况与蒙古诸部羁绊很深的土达？可见明初的布置还是有着很大缺点的。
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而土达虽坐拥精兵坚城，但在初期接连击败明军后，仍寄希望于不切实际的蒙古援军，一味选择固守城池，将战场主动权拱手相让。满四采取的这种消极防守战略堪称自掘坟墓的典范。
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总体而言，对土达的平叛战争也体现了明军项忠、马文升等将领高屋建瓴的指挥才能。他们吸取前几次失利的教训，采取重兵合围的战略，并以持续的炮击与烧荒等手段逐步瓦解守军的士气，避免强攻要塞的伤亡。在与满四的决战中，明军以少量部队诱敌深入，再集中兵力将敌军主力一举歼灭。最后，明军势在必得时又不穷追，待残兵败卒四散而逃时再出兵追击，从而将一场强攻恶战化作了一次毫无悬念的追亡逐遁。根据明朝战后清点的损失情况，明军整场战役总共伤亡仅有1685人，而土达叛军已确认的阵亡人数就已多达一万以上。此战不失为明代中期一场经典的攻坚作战。
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