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临沂方面，日军在坂本支队西去台儿庄战场后，第5师团师团长板垣征四郎立即于3月31日进至汤头镇，尔后又至义堂集指挥作战。当时青岛及胶济铁路等后方警备占用了大量兵力，一时无力发动大规模的进攻。4月中旬，因得到独立混成第5旅团第17、第20两个大队及第114师团步兵第150联队第1大队的加强，遂用这些战斗力较差的部队接替警备后方，以战斗力较强的国崎支队进攻临沂。该支队是以第5师团的国崎登第9旅团为基干的一支部队，淞沪会战时由华北调去华中；占领南京后，1937年12月31日受命归还第5师团建制；1938年1月14日在青岛登陆归建，并担任青岛警备。下属有步兵第41联队（欠4个中队）、步兵第42联队（欠1个大队、2个中队）、野炮兵第5联队的第2大队、第3大队及工兵第5联队等。国崎支队于4月16日开始向临沂外围阵地进攻，激战至19日夜，攻占临沂，24日占领郯城、马头镇。但当继续前进时遭到我第52军及刚刚调来、位于涝沟的第46军的猛烈抗击及反击，不但毫无进展，而且被切断后方联络，弹药、粮秣缺乏，士兵伤亡极大。从进攻临沂始至4月底，“各中队伤亡累计达60％—75％，联队实力还达不到1个大队”。
日军“华中派遣军”根据徐州会战计划派出两支先遣部队，以策应“华北方面军”的作战，并掩护本派遣军主力的开进及展开。第6师团第11旅团旅团长坂井德太郎率以步兵第13联队、骑兵第6联队、野炮兵第6联队的第3大队为基干的坂井支队于4月23日从芜湖出发，24日在海军协助下从和县以东新河口渡江，占领了和县，26日占领含山，30日占领巢县；第101师团第101旅团旅团长佐藤正三郎率以步兵5个大队、野炮兵1个大队为基干的佐藤支队于4月24日从东台出发，26日占领盐城，28日占领新兴城。以上两支队均未受到有力的抵抗。
蒋介石当时尚未预见到敌对徐州将采取大规模的包围行动，认为淮南方面日军的进攻仅是策应鲁南作战，因而仍本着“以攻为守”的方针，决定在鲁南和淮南两战场同时采取攻势，以阻止日军的南北对进。他于4月30日向李宗仁发出训令：“ （一） 鲁南方面：1。 敌之攻势已顿挫。2。 决全线转攻势，与敌以更大之打击。3。 石友三军不攻郯城、不顾任何敌人之牵制，向敌后方挺进，并以1旅以上兵力向青岛攻击前进。4。 樊松甫军避开马关镇据点之攻击，向敌主力后方挺进袭击。5。 其余守势正面各军可增加第50、第140两师，全线转移攻势。6。 转攻以后无论效果大小，抑或万一顿挫，均须适时抽出损害过重部队至运河后方构筑据点工事并整顿补充。7。 其他已到、未到控制部队不得使用。（二） 淮南方面：1。 敌总兵力不过4万，我占绝对优势。惟敌立内线，如向我任何一点进攻，均感应付困难。2。 以打破敌策应鲁南企图，使陷于被动之目的，决制敌机，先采取攻势。3。 韩德勤部应集结兵力，迅速攻击突进之敌。4。 廖磊部先以一部佯攻，诱敌离开阵地而击破之。5。 徐源泉部到达合肥即向当面之敌进攻前进。6。 杨森所部主力应开前方，攻击巢湖以南之敌，酌留一部守备安庆及沿江要点。7。 已令罗树甲师开合肥，归徐源泉指挥，并令唐式遵抽调两团至安庆增防，归杨森指挥。（三） 各方面攻击部署细部由战区决定，务须迅速开始为要。”
当统帅部的训令下达到第五战区时，由于日军的攻势加强，特别是第5师团与第10师团的进攻部队已联为一线，战场正面增大。为阻止日军攻势，中国军队向右延伸翼侧，卢汉的第80军、樊松甫的第46军、李延年的第2军、谭道源的第22军以及吴良琛的第13师等都已投入第一线战斗。由韩庄北的高皇庙经禹王山至郯城南的南北劳沟及捷庄一线，基本上正在进行着艰苦英勇的阵地战，势难按照训令“全线转为攻势”。鲁南方面，直至5月10日，双方仍处于胶着状态，其间日军第2军虽然又将军预备的片桐支队（第9联队长片桐护郎所率约步兵2个大队、野炮兵1个半大队的兵力）配属第5师团，增援国崎支队，并给国崎支队补充了1100余预备兵员，但在中国军队的坚强抗击下，仍无法前进一步。
日本大本营认为台儿庄的败退“有损于陆军的传统”，因此于4月30日任命东久迩宫为第2军司令官，接替了西尾寿造（徐州会战后又将第10师团师团长矶谷廉介编入预备役）。东久迩宫于5月7日到达兖州，立即下达了发动徐州会战的命令：除令第10师团、第5师团继续在鲁南进行抑留作战，并准备分向徐州以西、以东前进外，令“第16师团5月9日从济宁附近出发，击败当面之敌后，首先迅速进入砀山、唐寨方面”。该师团当日即渡过运河，进至郓城附近。
南线方面，“华中派遣军”的先遣支队佐藤支队于5月7日占领阜宁，坂井支队仍在巢县。但其主力第9师团及第13师团按照会战计划，于5月5日开始北进，当天突破防守北淝河北岸及涡河西岸的第7军阵地。第9师团沿北淝河西岸的淮蒙公路，于9日 8时30分攻占了蒙城。蒙城守军为第48军第173师第1038团。该团于7日夜才冒雨从田家庵赶至蒙城，尔后在副师长周元率领下与日军苦战1日夜，终因准备不足及寡不敌众，蒙城被日军攻破。该团除部署于城外的1个连外，城内副师长周元以下700余人绝大多数战死，仅团长凌云上率士兵9人突出重围。
当鲁南陷于阵地苦战而淮北又突然出现敌2个师团的主力北进时，李宗仁开始感到形势严峻，认为敌“淮北方面所用兵力达两个师团，自必力求猛进，窥伺徐州。且淮北地形开阔，地域广大，阻止困难”；又考虑到“鲁南敌我已成胶着状态，彼此进展均困难”，两相比较，“淮北情况实较鲁南为紧急”，于是决心“集中兵力准备于固镇分设阵地，将敌击破，以解除徐州后顾之忧”，当即将冯治安第19军团、刘汝明第68军及罗奇第95军调归廖磊指挥，先阻止敌军北进，尔后再部署击破之。
统帅部得知日军第16师团于9日渡河西进的情况后，判断日军正向徐州采取包围行动，认为应乘敌兵力分散且离开据点的大好机会予以各个击破。李宗仁按照统帅部的意图，于5月10日下达了第7号作战命令。主要内容为“以先行击破淮北之敌、打破其向北进或西北进、截断陇海路之企图为目的，即向怀远、蒙城攻击前进”，令“31军之一部固守原阵地。31军主力连系77军及罗奇师分为数纵队由现在向怀远至蒙城间前进，求敌主力攻击之”；令区寿年“指挥区寿年师、程树芬师应由蒙城附近尾跟敌后以进行攻击，与主力相呼应”；“徐启明师应连系区支队左翼前进”。同时指令“后续兵团俞济时军、李汉魂军于5月15日前向永城附近集中”，归廖磊指挥。由于第五战区当时得到的报告说鲁西日军仅有1个旅团，所以在这个命令中未对鲁西方面采取积极措施，同时还准备把用于鲁西方面的第64军（李汉魂军）、第74军（俞济时军）调至淮北。蒋介石于当日晚电令李宗仁及第一战区长官程潜，改变了两个战区的作战地境，将鲁西划归第一战区，指示“第五战区应对鲁南残敌暂取战略守势，以优势兵力先行击灭超越淮河之敌；第一战区应集中新锐兵团，击破侵入鲁西之敌”。具体规定：“现调归（德）砀（山）之俞济时、黄杰、李汉魂各军，统归薛岳指挥，为鲁西方面攻势兵团，应指向该方面敌主力而击破之。其原在鲁西各部，酌量交孙桐萱、商震指挥，担任迟滞敌人，并固守沛县、鱼台、金乡、巨野、菏泽各据点，掩护攻势兵团之集中及展开。” 〔69〕
蒋介石惟恐统帅部的命令不能贯彻，派侍从室主任林蔚及军令部作战厅厅长刘斐去徐州传达蒋的意图。实际上此时蒋介石与李宗仁对情况的判断已有分歧。蒋认为：“日寇自鲁南屡败，惊慌万状，近竟放弃晋绥、江浙既得地位，仅残置小部扼守要点苟延残喘，而调所有兵力指向陇海东段孤注一掷，以图幸逞，其总兵力合两淮、鲁豫至多不过15万，较之我军使用各战场兵力约为4倍以上之劣势，且敌之后方处处受我袭扰，补给不便，较之我之后方有良好交通者，其补给及兵力转用之难易相去甚远。目下敌不顾其兵力之不足、战略态势之不利，竟敢采用外线包围作战，其必遭我军之各个击破而自取败亡，殆无疑问。”而李宗仁身在前线指挥，对部队战斗力情况了解较深：假如每支部队在战斗、战术能力上都能保证完成战略、战役所赋予的任务，台儿庄胜利时就不会让战败之敌安全重新组织防线固守待援了，因此对能否迅速击破淮北2个师团之敌，抱有疑虑。
蒋介石为进一步贯彻他的意图，5月12日早，又以训令形式致电李宗仁：“（1） 国军决先击灭淮北及鲁西之敌。（2） 鲁南方面在敌抽调兵力转用鲁西之情况下，除应以有力部队增强右翼防敌包围外，须即刻设法抽出三四师兵力位置徐州，为该战区预备队，必要时用于蒙城方面之攻势。（3） 鲁南方面即决心取守势，于必要时可依运河逐次抵抗，至不得已时则固守徐州国防工事线，以获得攻势方面决胜之时间。（4） 总之，五战区第一任务在击灭蒙城方面之敌，使全盘态势有利，否则保有鲁南阵地亦属无益。希当机立断，速决实行，具报。”
李宗仁于当日晚制订了“第五战区作战计划”。但他仍认为统帅部对南北实行钳形包围之敌实施反包围的作战指导缺少万一反包围不能成功时如何迅速脱出敌人包围的措施。因而在计划中增加了当陇海路有被截断可能时各兵团如何转进的内容。其《计划》如下：〔70〕
一、 敌情判断
敌对我鲁南改取攻势，主力由淮北、鲁西两方夹击，有截断我陇海交通、包围徐州之企图。
二、 方针
（一） 战区拟乘敌兵分离之际集结兵力，击破淮北之敌，再转移兵力于其他方面，施行各个击破。
（二） 敌如将会师陇海线，我后方连络线有被敌遮断之虞时，则各以一部攻击永城及蒙城之敌，以主力转移到亳县、涡阳、阜阳以西地区，准备尔后之作战。
三、 指导要领
（一） 敌如尚在分离之状态时，应取下述之指导：
1。 淮北兵团之全力与第一战区鲁西兵团之一部呼应，以有力之一部攻永城，主力向蒙城压迫，以截断敌之连络，击破该敌于淮河左岸地区。
2。 鲁南、苏北两兵团，应竭力阻止各该方面敌之发展，以取得时间之余裕。不得已时，鲁南兵团撤退至运河西岸，苏北兵团力图存在于运河以东、旧黄河以北地区，准备尔后之反攻。
3。 淮南兵团一部仍向淮河右岸压迫，主力拒止巢县之敌北进。
4。 淮北之敌如被我击破，追击至淮河之线时，应如何转移主力、各个击破他方之敌，均以当时之状况定之。
5。 预备兵团控制徐州附近，以适应各方之情况。
（二） 淮北之敌，如我未能贯彻击破之方针，而与鲁西之敌将会合时，应采取下述指导：
1。 鲁南、淮北两兵团，应各以有力之一部，先占铜山、宿县两地，阻止敌之追击，掩护主力之西撤，其境界为夹沟—濉溪口—临涣集—涡阳—太和之线，线上属淮北兵团。
2。 两兵团各以有力之一部袭占或监视永城、蒙城，主力分多数纵队，各由蒙、永间及其附近各道西进，迅速通过敌之包围线，尔后在亳县、涡阳间线上各派掩护部队，主力向其以西地区集结，准备反攻。
3。 苏北兵团即在苏北、鲁东南地区游击。
4。 淮南兵团主力，竭力保持合肥，一部撤至凤台、阜阳，掩护战区之右侧。
5。 鲁南兵团向微山湖以西撤退时，务与第一战区鲁西两兵团连系。
6。 预备兵团之行动，视敌情况由兵团区处，或增援于最急要之方面。
（三） 司令长官部，第一项指导间，仍在徐州；第二项指导间，移至周家口，设指挥所于亳县。
（四） 军队区分
鲁西兵团：指挥官孙连仲总司令，率第46军、第60军、第51军、第75军、第2集团军主力、第22集团军残部、第50师、第13师、第132师、第110师、第140师。
淮北兵团：指挥官廖磊总司令，率第31军、第7军、第77军、第48军一部、第68军、第95师。
淮南兵团：指挥官李品仙副司令长官，率第48军主力、第10军、第20军（附第23集团军之一旅）、第199师。
苏北兵团：指挥官韩德勤代总司令，率第57军、第89军、第8游击队。
预备兵团：指挥官汤恩伯军团长，率第2军、第92军、第59军、第4师。
第五战区作战计划下达后，部队的调整、集结尚未完毕，形势已发生极大变化：
淮北方面，日军的进展顺利。受命防守永城的罗奇第95师1个团尚未到达，日军第13师团就占领了永城，第9师团占领了百善。担任第9师团右侧翼掩护的第18旅团，14日占领南坪集。刘汝明部吉星文旅于当夜反击，但被击退。第13师团的快速挺进队（战车1个大队，轻装甲车1个中队，乘车步兵2个中队，工兵1个中队）14日15时进至汪阁以东地区，炸断了陇海铁路。“华中派遣军”为加强进攻力量，又增调镇江的第3师团沿蚌埠间铁路北进，15日在大营集与第31军激战。原在巢县的坂本支队（第6师团第11旅团）亦于5月11日北进，击退徐源泉部，于14日占领合肥。
鲁南方面，日军在鲁南兵团坚强抗击下进展较缓。第10师团由第114师团接替，14日集结临城，15日渡微山湖，准备由西北面进攻徐州；第5师团紧跟中国第60军等收缩阵地的部队，15日进至运河东岸。
鲁西方面，日军进展甚快。第16师团经激战，击退第3集团军第74师后，�