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中央此时又作了放弃陕北根据地的打算，还想让西路军东进配合行动。蒋介石回到南京，使青海二马兴高采烈。他们向蒋介石表示效忠，同时集中所有兵力，准备死力堵截西路军，决心把红军消灭在河西走廊。
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1937年1月12日起，马家军以部分兵力牵制红9军、30军，而以大部分兵力绕道西进，围困红5军驻守的高台县城。当时在城内的是军长董振堂、政治部主任杨克明及红5军的44、45团、骑兵团和特务连共3000余人。5军政委黄超带着5军仅有的一部通信电台驻守在临泽县城。马家军包围高台后，城内就与西路军指挥部失掉联络。马家军首先进攻城外的两个外围碉堡，守堡红军与敌人进行殊死战斗，打退敌军一次次冲锋。最后终因子弹耗尽，人员伤亡过多，外围碉堡失守。高台城像个大土围子，城墙是土筑的，高不到两丈，上边很窄，不易隐蔽。在外围失守后，董军长命令将城内一切能装土的箱子、柜子都装满泥土，加高城墙。同时派人与临泽联系，准备突围。这时，突然接到政委黄超从临泽送来的一封信，大意是：“董军长，奉总部命令，高台是打通国际路线的军事重点。如果失守，就要你军长的头。”第二天上午在城内天主教堂召开最后一次营以上干部会议，董振堂心情沉重地宣读了来信，要求大家坚决守住高台，与高台共存亡。[18]
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1月20日，马家军开始攻城。董振堂面对孤军奋战的危难局面，毫不动摇，挥舞大刀在城墙上指挥红军战士与马家军殊死搏斗。敌人架着梯子往上爬，红军用刺刀、砖瓦齐向敌人打去。将敌人一次次打下城去。激烈的战斗一直持续了几个小时。不料守卫西城的原高台民团突然倒戈，打开城门，敌军蜂拥而入。形势顿时恶化，红军组织反击，但缺少弹药，全靠肉搏。敌人越来越多，与红军展开巷战。董军长退到城东北角坚持，他身穿一件破毛衣，用手枪击毙数名敌人，终于寡不敌众，腿上负伤，壮烈牺牲。与董军长一起战死的还有军政治部主任杨克明、13师师长叶崇本等。3000多红军战士除少数人被俘，绝大多数都战死在高台城中。马家军在清理战场时找到董、杨的遗体，残忍地砍下他们的头颅，泡在酒里送往西宁马步芳处。
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高台烈士墓
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高台战斗过程中，西路军总指挥部一点消息也不知道。直到1月23日红军电台破译了马家军的电报，徐向前才知道高台危急。他火速派出唯一的骑兵师星夜前往增援。但是途中遭到优势兵力的马家骑兵包围。红军骑兵师刚组建不久，马匹多数不是战马，战斗力不强。血战一场后，红军骑兵师大部伤亡，师长董俊彦、政委秦道贤都英勇牺牲了。[19]
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董振堂
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高台失败的消息传来，西路军将士都极为震惊和悲痛。红30军军长程世才总结失败教训有三点：“（一）在战术指导上不应该为一城的得失而死战。（二）高台守军无电台联络，打了两天我们还不知道，未能早想办法援助之。（三）被争取过来的几百民团，未经过改造，放心用人家，结果与敌人造成内应外合而失事了。”[20]
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获悉高台失败和骑兵师被消灭的消息后，徐向前立即命令驻守临泽县城（抚彝城）的黄超率5军余部向西洞堡集中。当时城中有5军的两个团、西路军总供给部。马家军主力马元海旅疯狂进攻临泽城。红军撤退时辎重大部分都丢掉了，非战斗人员被马家军截去好几百。最令人痛心的损失是总供给部的几名制造炸弹的技术工人全被马家军杀害，断掉了西路军自己生产弹药的来源。幸亏9军政委陈海松带一个团前来接应断后，沉着冷静地指挥作战，才使5军免遭全军覆没的命运。
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高台之战后，马家军更加紧了对西路军的包围堵截。在这种不利形势下，西路军领导人决定放弃西进计划，带领部队东返。1月23日西路军致军委的电报汇报了高台失败的消息和目前敌情，并陈述下一步打算说：“现兵力分散，骑兵行速，我快行不易，部队需稍整。决在基本东进行前争取在现地和路上乘机击敌，以利东进。现指直仍三四千人，妇女小孩占千人，新病号增加，行动笨重，当求轻便。现在全军发扬士气，团结杀敌，克服任何困难，学习血的教训，虽受部分挫折，但所有指战员均极团结，照军委给予的任务斗争到底。”[21]
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高台烈士墓徐向前题词
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发出电报后，西路军指挥部带领30军全军和9军一个团到达西洞堡。王树声带领9军余部到达龙首堡，准备休整一下再行东进。1月25日中央军来电指示西路军“你们行动方针，以便利击敌保存实力为目的，行动方向由你们自决。……在骑兵追堵下，欲因急行避战，达到东进目的，危险较大。应集结全军，切忌分散，用坚决战斗来完成东进任务。”但是中央指示又说：“我们虽从各方面用力设法援助西路军，但唯一的仍须依靠你们用自力在战胜二马条件下完成你们的东进任务。……深入的政治动员，坚决不靠外力，和人人具有誓死必胜的决心，在困难环境中，严肃红军纪律，争取群众赞助，是重要的保障。”[22]
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1月28日，西路军全部集结到倪家营子，全军还剩一万多人，战斗员不及一半。马元海立即报告马步芳：“红军大部离开甘新公路进入甘州南的倪家营子。占堡寨四十三处，星罗棋布于周围十里之地，总人数约有一万三千余人，确系红军主力。”他带领马家军主力五个旅和大量民团，将倪家营子包围。
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倪家营子是由几十个土围子组成的聚落。南北长16里，东西宽3里。大小四五十个土围子稀稀落落地分布在荒凉的田野上。一个土围子里住几户人家。有钱人家的土围子有高大的围墙，厚三五尺，筑有垛口和瞭望楼，很像城墙。一般人家的土围子叫庄子，只有矮矮的围墙。围墙外是老百姓的耕地和戈壁滩，村庄之间隔着一二里地的路程，有些树木和沟渠。西路军到这里，总算是相对集中一些了。
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从1月31日起，马家军向倪家营子发起一次又一次攻击。他们也懂得消灭红军的有生力量，所以专找红30军阵地打。红30军也毫不示弱，在李先念政委和程世才军长指挥下，与马家军展开了惊心动魄的厮杀和血战。程世才回忆：“敌人每次进攻先用数门大炮将我村庄土围墙打成缺口，然后以轻武器掩护大量的步兵向我阵地猛扑，而每次打到一定的距离时，我方举行反攻，将来犯之敌局部击退到原来的防地去。在多次战斗中，双方交锋时，步枪作用不大，常常是双方拼手榴弹，到最后双方用大刀砍来砍去，战场上血流成河。同时每次到村围子外五十米远时，我始与敌进行肉搏战。敌人拼到我围子内，我又将敌人从围子内杀出去，把敌人赶回原阵地，双方形成对峙战。战斗的规律是以白天为多，从天亮打到天黑，下午我反攻击退敌人，战斗便告结束。有时候我军夜间派部队去扰乱敌人，使他惊慌不安，疲劳他。”[23]
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徐向前回忆说：“因为子弹缺乏，步机枪几乎失去作用。我到前沿阵地去看过，战士们的步枪都架在一边，手里握着大刀，长矛、木棍，单等敌人上来，进行拼杀。在这里，没有男同志和女同志，轻伤员和重伤员，战斗人员和勤杂人员的区别，屯自为战，人自为战，举刃向敌，争为先登。围墙被炮火轰塌，血肉就是屏障，前面的同志倒下去，后面的同志堵上来。轻伤员不下火线，重伤员倒在地上，仍紧握手榴弹，准备与敌人同归于尽。在这里，生存就是战斗，战斗就是生存。”[24]
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倪家营子血战，持续了一个多星期。马家军打得疲劳不堪，伤亡近万人。西路军也付出了沉重的代价，基本上已是弹尽粮绝，伤员越来越多，连最起码的医疗条件都没有。西路军指挥员都意识到，他们已经到了最后时刻，再打下去，敌人有源源不断的补充，红军则任何补充和援助都没有，力量对比越来越悬殊，必须想办法摆脱被动局面，寻求新的出路。但是中央当时正与蒋介石谈判，希望西路军能就地坚持，维持在河西走廊的局面，要西路军就地休整，补充训练。到2月6日，徐、陈感到不能再被动等待了，向中央发去一封电报。在汇报了西路军现存实力后说：
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（二）此地村落尽是堡寨，分兵即不能灭敌，集结则粮易被敌困，攻则伤亡甚大，所以补充训练事实上不易做到。
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（三）近来各方情况此间甚不明，究竟整个战略企图如何，西路军基本任务怎样？据历次来电变更很大，致西路军遭受一些不可避免的损失，并影响到今后的行动。
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（四）来电所谓不依靠外力是否包含远方及统一战线？究竟前电所称远方货物到达时间是否属实？抗日联军方面目前对二马有无可能争取？
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（五）西路军现有力量，可以在此争取必要时间，准备以全力接通远方。
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西路军军政委员会主席团