石牌战役的直接起因是日军对鄂西地区的全面进攻。5月5日，第11军集结第3师团、第13师团、第39师团及独立混成第17旅团，总兵力约7万人，从宜昌周边出发，分三路向西推进。主力第13师团由师团长佐佐木到一指挥，目标直指石牌。日军计划沿长江北岸和南岸并进，突破中国军队防线，最终在石牌会师。一名第13师团的步兵中尉藤田正雄在日记中写道：“我们奉命向石牌进发，听说那里是支那军的最后防线。山路崎岖，空气潮湿，士兵们背着步枪走得满身大汗，心里都想着速战速决。”日军的行军异常艰难，太行山余脉与三峡山区的结合地带，道路狭窄泥泞，车辆难以通行。一名辎重兵佐藤健二回忆：“我们推着大车走山路，车轮陷进泥里，骡子累得直喘气。雨水打湿了军服，背上的米袋沉得像石头，每迈一步都像踩在棉花上。”日军每日行军约15-20公里，远不及平原作战的速度，士兵疲惫不堪。
日军的宿营条件同样恶劣。5月的鄂西正值雨季，山地湿气重，士兵只能在山坡或河边搭建临时帐篷，用帆布遮雨。一名士兵山本一郎写道：“宿营时找不到干地，睡在泥泞里，毯子湿透了，冷得牙齿打颤。篝火点不燃，烟呛得人咳嗽，只能啃硬邦邦的饭团。”后勤补给是日军的一大难题，从宜昌到石牌约100公里，补给线拉得过长，运输全靠人力和骡马。一名辎重兵中村健太郎记录：“我们每天背50斤大米和弹药，山路陡得像悬崖，脚底磨出血泡。水源倒是多，但浑浊不堪，喝下去肚子疼。”日军携带的食物主要是米饭、干鱼和少量罐头，弹药包括步枪子弹、机枪弹链和迫击炮弹，但雨季导致部分物资受潮，影响作战效率。
中国军队的准备则截然不同。第六战区江防军由第18军军长胡琏指挥，约2万余人，依托石牌的天险布防。石牌地势险要，西侧有长江天堑，东侧是悬崖峭壁，北靠高山，仅有一条狭窄通道可供进攻。中国军队挖掘了大量壕沟和掩体，配备迫击炮和轻重机枪。一名被俘的国军士兵供述：“我们在山上挖了工事，每人分到几十发子弹和几颗手榴弹。粮食是老百姓送来的小米和土豆，吃不饱但能撑着。”中国军队的行军以步行为主，士兵熟悉地形，沿小路机动，每日可转移10-15公里。宿营时，他们藏身山洞或树林，用干草垫地，夜间靠篝火取暖。一名日军侦察兵冈本三郎写道：“敌人的踪迹很难抓到，他们像老鼠一样钻进山里，侦察机飞过去什么也看不到。”
5月25日，石牌战役正式打响。日军第13师团从长江北岸发起主攻，试图突破中国军队的前哨阵地。战场位于石牌东北的黄花涝地区，山坡陡峭，灌木丛生，空气中弥漫着湿土和硝烟的气味。一名日军哨兵高桥次郎回忆：“那天清晨，天刚亮，我们沿着山路前进，突然枪声从山顶响起，子弹打在岩石上，火星四溅。我喊‘卧倒’，但旁边的战友被射中胸口，血喷出来，倒下时还在抽搐。”中国军队占据高地，用马克沁重机枪和步枪猛烈扫射，日军士兵成片倒下。一名步兵森田太郎描述：“我趴在泥里，头顶的子弹嗖嗖飞过，像割草一样。前面的人被机枪打中，血肉模糊，肠子流了一地，我吓得手抖得拉不开枪栓。”日军试图反击，第13师团的九二式重机枪架设在山脚，但射角受限，难以压制高处的火力。一名机枪手山崎宏写道：“我扣着扳机扫射，子弹打在山坡上，溅起尘土，但敌人的枪声没停。我的副手被手榴弹炸死，血溅在我脸上，热得发烫。”
日军的武器装备在火力上占优。第13师团配备三八式步枪，射程远、精度高，每人携带约120发子弹；九二式重机枪每分钟可发射450发子弹，配有备用弹链；还有50毫米掷弹筒和81毫米迫击炮，能发射榴弹和烟雾弹。然而，山地作战削弱了这些武器的威力，迫击炮弹常被树林挡住，掷弹筒射程不足。一名掷弹筒手佐藤健二写道：“我发射榴弹，想炸掉敌人的机枪窝，但山坡太陡，弹药落下去没响。敌人的手榴弹却扔下来，炸得我耳朵流血。”中国军队的武器较为落后，多为汉阳造步枪、中正式步枪和马克沁机枪，火力密度不如日军，但他们利用地形，辅以手榴弹和地雷，极大弥补了装备差距。一名日军下士中村健太郎回忆：“敌人的枪法不准，但手榴弹扔得狠。一颗炸弹在我旁边爆炸，碎片划破了我的腿，血流了一地，我喊不出声。”
战斗第一天，日军损失惨重。第13师团的一个大队约300人试图强攻黄花涝高地，但被中国军队的交叉火力击退。一名士兵山本一郎描述：“我们端着刺刀往上冲，敌人的机枪扫过来，像割麦子一样。我看见前面的人被射穿头颅，脑浆溅在树上，我趴在地上，泥土混着血钻进嘴里。”中国军队还使用滚石战术，巨石从山顶滚下，砸碎了日军的队形。一名幸存者冈本三郎写道：“一块大石头滚下来，砸中我旁边的战友，他的胸膛塌了，血喷了几尺远。我吓得趴着不敢动，满耳朵都是他的惨叫。”到夜幕降临时，日军伤亡约500人，未能前进一步。
5月26日，日军调整战术，调来第39师团的部分炮兵支援，使用75毫米山炮轰击中国阵地。炮声震耳欲聋，山坡被炸得尘土飞扬。一名炮兵藤田正雄回忆：“我瞄准山顶开炮，炮弹炸开时火光冲天，树木被炸断，尘土遮住了视线。但敌人的火力没停，他们藏得太深。”炮击持续两小时，中国阵地虽受损，但士兵依托壕沟顽强抵抗。一名日军中尉山崎宏写道：“炮弹炸过去，以为能压住敌人，可他们的机枪又响了。子弹打在我旁边的岩石上，火星四溅，我躲在后面，心跳得像擂鼓。”日军随后发动第二波攻势，约1000人分成三路冲锋，但中国军队用迫击炮和手榴弹反击。一名士兵森田太郎描述：“我冲到半山腰，一颗手榴弹炸开，碎片飞进我的肩膀，血流了一身。前面的人被炸得四分五裂，血肉糊在树枝上，惨叫声没停过。”
5月27日至28日，日军孤注一掷。第13师团集中2000余人，配合山炮和迫击炮，猛攻石牌主阵地。战场上硝烟弥漫，炮弹爆炸的轰鸣震得山谷颤抖。一名士兵山本一郎回忆：“我们喊着‘天皇陛下万岁’冲上去，炮弹在头顶炸开，热浪扑面。我看见前面的人被炸飞，血肉洒了一地，我躲在石头后面，手抖得拉不开枪。”中国军队用重机枪和地雷阻击，日军踩中地雷时，爆炸声撕裂空气。一名下士中村健太郎描述：“我踩到地雷，腿被炸断，血喷得满身都是。我爬着喊救命，旁边的人也被炸死，血腥味呛得我喘不过气。”战斗进入白热化，中国军队发起反冲锋，双方在山坡上展开肉搏战。一名日军士兵藤田正雄回忆：“一个中国兵从壕沟跳出来，刺刀直刺我的胸口。我用枪挡住，刀锋划破了我的胳膊，血流如注。我一枪托砸过去，他头骨裂开，血溅了我满脸，热得像火烧。他倒下时还在抽搐，我喘着气，手抖得握不住枪。”另一名士兵佐藤健二描述：“我刺死了一个敌人，他的刺刀先划过我的肩膀，血喷出来，疼得我喊不出声。我刺进他的肚子，他瞪着我倒下，血流了一地，黏糊糊的，空气里全是腥味。”肉搏战中，日军士兵与国军士兵短兵相接，刺刀碰撞的金属声混着惨叫此起彼伏。一名日军下士森田太郎写道：“我跟一个中国兵扭在一起，他的刺刀刺进我的大腿，我咬着牙用刺刀捅穿他的胸口，血喷了我一脸，热得发烫。他倒下时抓着我的衣服，像要拉我一起死。”一名士兵山崎宏回忆：“我用刺刀捅死一个敌人，他的血流进我的靴子，湿乎乎的。我旁边的人被刺中腹部，肠子流出来，他抱着肚子在地上滚，喊着‘妈妈’，血腥味熏得我头晕。”激战中，日军一度逼近主阵地，但伤亡惨重，士兵的军服被血浸透，山坡上满是残肢和断刀。
肉搏战的残酷让日军士气崩溃。一名士兵冈本三郎描述：“我跟一个中国兵拼刺刀，他力气大得像牛，刺刀刺进我的肩膀，血喷出来。我用尽全力捅进他的喉咙，他倒下时血溅了我满身，我瘫在地上，满脑子都是血光。”另一名士兵中岛弘写道：“我刺死一个敌人，他的血流到我手上，滑腻腻的。我转头看见战友被刺穿胸膛，刺刀从背后透出来，血流成河，他瞪着眼睛倒下，我吓得喊不出声。”中国士兵的顽强让日军胆寒，一名日军中尉藤田正雄在日记中写道：“敌人的兵像疯子，不怕死。他们用刺刀拼到最后一口气，血肉横飞，我军士兵吓得不敢上前。”肉搏战持续数小时，日军伤亡近千人，主阵地仍未攻克。
5月29日，日军攻势受挫。第11军司令官横山勇下令增援，但第3师团的援军被中国军队阻击在外围。一名援军士兵山崎宏回忆：“我们赶到时，山谷里全是火光和尸体。我踩到一具残骸，血粘在鞋底，滑得站不稳。敌人的子弹从树林里飞来，我躲在岩石后，满身泥血。”援军未能突破，日军士气崩溃。一名军官森田太郎在日记中写道：“士兵饿得走不动，弹药打光了，敌人却越打越多。我们输了，不是输给武器，是输给他们的意志。”5月31日，日军全线撤退，石牌战役以失败告终。据统计，日军伤亡约3000人，中国军队伤亡约6000人，但成功守住了石牌。
日军的行军与宿营在战役中愈发艰难。雨季的泥泞让补给车队寸步难行，士兵只能徒步背负物资。一名辎重兵中岛弘写道：“我们背着炮弹走山路，雨水把军服淋透，鞋底滑得站不稳。宿营时睡在泥里，冷得牙齿打颤，饭团都发霉了。”水源虽多，但浑浊不堪，士兵饮用后常腹泻不止。一名士兵佐藤健二抱怨：“水里有沙子味，喝下去拉肚子，但不喝就渴死。弹药湿了，打不响，饿得眼睛发花。”中国军队的后勤则依赖群众支持，粮食从村民手中征集，弹药靠前线缴获。一名日军少尉冈本三郎写道：“敌人的兵像野草，杀不完。他们的粮食从老百姓那里来，我们却断了补给，饿得没法打。”
石牌战役是一场耻辱的败仗。一名第13师团参谋在报告中写道：“我军轻敌冒进，地形不利，后勤崩溃，导致惨败。石牌未克，重庆无忧，华中战局堪忧。”一名士兵佐藤健二回忆：“撤退时，我满身是血，耳朵里全是战友的惨叫。战场上血流成河，尸臭熏天，我开始怀疑这场战争的意义。”另一名士兵藤田正雄写道：“肉搏战后，我的手上全是血，黏得握不住枪。敌人的刺刀和眼神让我害怕，我再也不想上战场。”
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