日俄南山之战，双方力量对比十分悬殊。日军投入兵力达36400人，是俄军兵力的9倍，其中步兵31个大队，骑兵5个中队，工兵12个中队。在武器装备方面，日军野战炮198门，机关炮48门，是俄军的4倍，还有海军舰艇的海上炮火支持。

驻守南山的俄军第五团，无论是武器装备、人员数量，还是后勤补给等方面，与前来进攻的日军比起来，都大大处于劣势。交战没多久，就难以支撑，眼看着日军就要攻上山顶了。恰在山上的俄军绝望之时，突然，从大房身驻守的俄军那儿发射来一阵密集炮弹，直落在日军进攻队伍中，把正在进攻的日军炸得人仰马翻、死伤众多，日军只好暂停进攻。这及时的炮弹暂时缓解了南山俄军的危急局面。

战至上午9时，日军步兵在强大炮火掩护下，冲到山下的阎家屯和马家屯，想以此为依托向山上进攻。可这两个小屯子没啥房屋和建筑物给日军当掩体，俄军在山上居高临下，把日军看得明明白白，枪炮齐发，打得日军无处躲藏、伤亡惨重。日军没办法在这俩屯子待下去，只好撤到铁路线，用铁路路基当掩体和俄军对峙，无法靠近俄军阵地。

到了中午，日军兵分三路进攻俄军。一路日军在左翼进攻柳树沟，遭到大房身和纪家屯北山上埋伏在散兵战壕里的俄军两面夹击，根本前进不了。第二路是日军第一师团，从东北面向俄军进攻，可这块阵地是俄军防守最严实、工事最坚固的地方。阵地前是纵深10余米的铁丝网，铁丝网外是500多米宽的开阔地，毫无遮蔽，就像个绝佳的射击场，开阔地下还有地雷和陷阱，完全是片死亡地带，日军强攻就是白白送命。第三路从火车站方面迂回进攻，这路日军虽然死亡人数最多，但离俄军阵地最近，近到离前沿阵地只剩2米。然而，就这2米的距离，在俄军拼死阻击下，成了日军无法跨越的障碍。

下午2点，日军第四师团多次向山上进攻，都被俄军击退。在激烈战斗中，俄军的马克沁水压机枪发挥了极大作用。它发射速度极快，机枪手一扣扳机，成千上万颗子弹如暴雨般倾泻而下，日军像被砍倒的树木一样成片倒下。日舰“赤城”丸和“鸟海”丸从海上炮击俄军阵地，俄军用大炮回击，击中“鸟海”丸两发炮弹，舰长林三子雄大佐当场被炸死，舰上多人受伤。

日军遭此打击，强攻又受阻。关键时刻，由30名工兵组成的敢死队冒死前进，冲到铁丝网下剪断铁丝网，为后续部队开辟了前进通道。日军以无数士兵生命为代价，终于冲进了俄军阵地和堡垒。俄军失去防守优势，抵挡不住日军进攻，先后丢掉南山炮台指挥塔和左翼阵地炮台，向旅顺方向撤退。

下午3点，被俄军炮火压制在火车站赵家楼一带的日军第一师团，其突击部队在己方猛烈炮火掩护下，冲到距俄军阵地800米处。但在俄军猛烈射击下，无法再前进，只好停止进攻。

下午5点，日军短暂休整后，如疯了一般发起新一轮冲锋。他们向前冲了600多米，冲到距俄军阵地200米处时，被铁丝网挡住。没有遮挡的日军在铁丝网前伤亡极为惨重，有个小分队全被击毙。即便损失惨重，日军仍不退却，还增派3个中队，采用群狼战术同时进攻俄军阵地。

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