第四天上午，日军在连续两次进攻无果之后，于中午过后竟使出了极为残忍的手段，利用毒气罐和特种炮弹，同时对长山阵地的前沿和纵深实施了毒气攻击。
表面阵地上毫无防备的海军江防大队队官兵在几分钟之内，几乎全都扭曲着倒在了地上，而躲在屯兵洞里的十六军也死亡了几十人。
训练有素的观察组在发觉了异常烟雾时就立刻戴上了防毒面具，并奔跑着通知附近人员赶紧用湿衣服或湿毛巾捂住鼻口、趴下身体。
接着，观察组马上把这一情况用电台报告给了十二集团军。
十余分钟之后，带着防毒面具的日军便向长山核心阵地发起了冲锋。
三百余名十六军官兵和剩余的几十名海军江防大队官兵，冒着被残存毒气伤害到危险随即投入了战斗。
但由于十六军官兵素质不及海军陆战队，而海军陆战队则精华尽损，所以接下来的战斗打得异常惨烈，连观察组除了无线电员外的四人都参加了战斗，而且还牺牲一人，轻伤两人。
连续打退日军两次进攻之后，阵地上仅剩下了二百一十多名还能战斗的海陆军官兵，而且所有的炮弹都打光了，如果日军继续进攻，长山阵地将很快丢失。
侥幸活下来的海军江防大队长，随即向九战区、七战区和海军江防要塞司令部分别发出了求援电报。
让大队长料想不到的是，最后一份电报刚发出了不到二十分钟，近千名的援军就到了，而且竟是本应远在七十公里之外的第十二集团军。
阵地上存余的海陆军官兵顿时发出了一片欢呼声！
率队驰援的独立三师一团副团长兼一营营长董云福，向海军江防大队长和观察小组的带队参谋简单了解了一下情况，便立刻命令二连立刻接管表面阵地，接着又命令迫击炮连迅速建立阵地，主要负责从反方向支援马当矶，各连排长留下观察地形，其余部队和原守备部队全部进入屯兵洞休息待命。
董云福刚部署完毕，日军在炮火掩护之下就发起了新一轮的集团冲锋，妄图在天黑之前一举攻占长山。
然而，志在必得的日军却碰到了不可逾越的铜墙铁壁。
独立三师一营大部分官兵都参加过沪杭、太原、潞城和保定外围等战斗，作战经验非常丰富，就是新补入的士兵，也是在训练基地里经过了一年多的系统训练和多次演习，实弹至少都打了一百多发，再加上手中的武器，其战斗力绝非一般。
躲避过日军炮击之后，二连从战壕的防炮洞里出来仅进行了不到半分多钟的射击，就使冲在最前面的两百余名日军躺在了山坡上，而其后的延伸射击，更是把四百米内的日军打得要么丧命、要么纷纷躲藏起来。
听到密集而又响声异样的枪声，看到自己士兵满坡的尸体，日军指挥官就知道中国的强力援军到了。
而且其特点也与《作战指导书》中对十二集团军的描述一样。
日军联队长不由一阵心惊，立刻发出了紧急撤退的命令。
山上的日军连大部分尸体都没顾上抬就撤下了山。收拢部队之后一清点，担任进攻的那个大队，竟有三百一十九人没有回来，其中包括了两个中队长和五个小队长、二十二名机枪射手和副射手、十二名掷弹筒兵。
当天和整个夜间，日军再没有发动进攻。
打退了日军的进攻之后，董云福就找来江防大队长和十六军的营长，宣布长山阵地就交给十二集团军了，让他们趁着天还没有黑带着伤员下山，山脚下一公里多处有汽车等在那里，会把他们送到彭泽。
听了董云福的决定，想到大部分的弟兄都牺牲在此，江防大队长流着泪道：“我们把受伤的弟兄安置好了还会回来的。董副团长，湖口要塞仓库还存放有很多舰炮的炮弹，能否借你们汽车一用，帮我们把炮弹拉回来，然后继续操炮给死了的弟兄们报仇！”
董云福道：“可以。不过防守长山也不是一天两天的事，你们休息好了再来也不迟。我看你们有些弟兄的伤口发炎很严重，我已经让让军医和救护兵在给他们打针，等会儿再拿一些消炎针剂给你们带上。”
大队长道：“我替受伤的弟兄们谢谢董副团长！我们会尽快回来的。”
说完，大队长便去召集手下去了。
而十六军于下午六点二十就接到了战区下达的立刻增援长山的命令，但直到后半夜两点多，才有不足两个营的兵力从小路赶到了长山。
董云福向带队的营长出示了战区长官部于五个小时前发来的电报，毫不客气的命令十六军援军立刻沿公路返回五公里处宿营，天明后选择地点构筑防御工事，并将汽车运输过来的弹药送上山来。
在发给董云福点电报之前的八点三十分，陈诚和谢昌云曾联名签发了一封给十六军的措辞相当严厉的电报：
你部不尊长官部命令，贻误军机，如不是十二集团军廖总司令提前预测部署，险至长山阵地丢失，以如此之携带如何能堪当御敌重任？现着你部归属十二集团军指挥，当悉心听从调遣，如有再犯，定当军法从事。
李蕴衍自知刀屠刀已悬在了头上，当即吓得几乎晕倒过去。
第二天天明之后，山上的中国军队便派人到日军前沿用日语喊话，让日军把阵亡者的尸体都抬回去，然后两军再战。
九月份虽然气温已不似夏天那么高，但如果放置一天一夜，迎风散发出的气味也足以把山上的中国守军熏晕。
对这个建议日军还是很愿意接受的。
于是一百余名穿着白衬衣、戴着手套、没有携带任何武器的日军收尸队，用了两个小时的时间才把几百具战亡同胞的尸体清理了回去。
但是尸体上除衣服之外的所有佩戴和装具，已经被中国军队在夜间收罗一空。
上午十点三十分，日军再次对长山阵地释放了毒气和发射了化学炮弹。
由于地形原因，江上的舰炮以及飞机无法对长山中国军队的核心阵地构成直接威胁，而步兵所携七五山炮和野炮，又很难摧毁中国军队的钢筋水泥工事，从后方船运重炮来又上不了岸。
不采用这种卑劣的手段，日军实在想不出还有何办法能在短期内攻占由十二集团军防守的长山。
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