左路日軍傍晚才到達鄭城，經過激戰攻佔鄭城，我軍向桃裕撤退，渡邊留下一小隊日軍駐紮鄭城，大部隊追擊我軍。由於預定的時間還沒到，我軍只能層層阻擊拖延時間，戰鬥持續了一夜，終於拖到天亮才到達桃裕。我軍據守桃裕，日軍發動了進攻。陳光命令山谷中的部隊向日軍兩側迂迴，看到部隊迂迴到位後，陳光下令炮擊日軍。陳光、李振華、司徒雷登等在山頂觀戰。

渡邊發現中計，日軍三面被圍，立即下令撤退，在山頂的陳光、李振華看到東面趕來支部隊，心放了下來。406團陸升勳部趕到了戰場，左路日軍插翅難難飛。渡邊一看形勢不對，向臨沂發了決別電。下令日軍頑抗到底。經過兩小時的戰鬥，終於消滅了這股日軍。

臨沂日軍收到決別電大驚，命令日軍加強進攻，打通臨沂與費縣的聯絡，但此時已來不及了。羅首長帶著三個團，還有地方武裝兩個獨立團，以王吉文團為先鋒，用火箭筒炸開城門衝進了費縣城內。費縣留守日軍沒有料到我軍會攻擊縣城，日軍展開了巷戰，雖然日軍垂死掙扎，但改變不了費縣城破的命運。我軍用了兩小時完全佔領縣城。只有零星日軍逃出城外，但可能會死的更慘。憤怒、彪悍的山東人會讓他們上天無路，入地無門。

三個主力團立刻向東增援魯南軍區，臨沂日軍見又有部隊從費縣方向前來增援。加之費縣日軍早就發決別電，救援計劃完全失敗，日軍只好先退回臨沂，再從長計議。

山東根據地我軍一改以往的韜光養晦，連續收復蒙陰、費縣兩座縣城。訊息一經披露，在社會上產生了巨大的影響，提升了國民抗戰的信心。很多在後方的民眾還是第一次聽到中共在山東有一塊敵後根據地。

對於這次行動的得失，山東軍政委員會乃至延安總部意見爭議卻很大。1940年下半年發生的正太路破襲戰，前期取得的戰果很大，但後果也很嚴重。華北日軍把我黨的根據地作為了主要作戰物件，特別是中條戰役國軍退黃河以南之後。日軍針對我軍華北根據地進行多輪的大掃蕩，提出了治安強化運動。我軍在華北的根據地受損頗大，有的根據地甚至完全淪陷，成為了游擊區。有人認為這是前車之鑑，山東根據地的大動作必將引起日軍的空前重視，雖然目前日軍暫時退卻，但後面可能迎來的是暴風驟雨。

李振華不是沒有想過這個問題，如今在山西、山西、河南、河北、山東各淪陷區，我軍成為了敵後抗日的中流砥柱。李振華認為前期我軍以游擊戰為主，低調發展肯定是沒有問題的。但當實力發展到一定階段，日軍對我軍的重視不是以我軍的意願而轉移的。

其它敵後根據地李振華不敢說，但山東及周邊地區根據地正規部隊54個主力團，兵力9萬餘人。這還是山東軍政委員會因經濟、策略等方面原因限制主力部隊發展，大力發展地方武裝的結果。 除了正規部隊，我黨在根據地及淪陷區都組織了縣大隊，目前根據地內縣大隊大多數已經升級為獨立團，還有我黨控制地方士紳組織的獨立團、獨立營，人數不下於10萬。然後是游擊隊、各村鎮民兵總數不下於15萬。這樣一股強大的力量，日軍沒有察覺是不現實的。這是在汙辱日軍的智商，也是在汙辱為抗日犧牲的先烈。

此次戰役陳光、李振華也考慮到後期的影響，盡力控制單次戰鬥的規模。我軍不是沒有單次成建制消滅日軍一個聯隊的實力，但考慮到傷亡及過早暴露我軍實力的問題，陳光、李振華不約而同選擇了誘使日軍分兵，少量多次圍殲敵人的方式，在運動戰中消滅敵人。這樣做就是想讓日軍產生一個錯覺，我軍無實力一次殲滅一個聯隊以上的日軍。我軍實力不足，只能以陰謀詭計、設伏等方式作戰。

李振華覺得這次戰役的決策沒有錯，況且他還有其它的規劃。李振華帶著司徒雷登等人目睹了費縣戰鬥的全部過程，然後把司雷徒雷登一行人交給鐵道游擊隊，由游擊隊一路護送到湖西根據地，而後再由秘密交通線的同志接力護送到大後方。李振華等待著進一步的發酵。

山東日軍也在檢討，濟南第12軍司令部土橋一次郎召集軍部及師團長開會。土校次郎這段時間也是灰頭土臉。臨沂機場遭炮擊那天他在沂水，僥倖躲過一難。但第17師團師團長等人陣亡、中國派遣軍司令、32師團師團長等人受傷，讓他受到了大本營的斥責。這才剛剛個把月的時間，日軍又丟了蒙陰，費縣縣城，還有平邑、銅石等據點，兵力損失一萬多二幹人。損失超過了一場大戰役。

土橋一次郎在軍事會議上反思了日軍的失誤。首先他檢討了情報的失誤，八路在蒙山周邊到底有多少部隊沒有搞清楚，日軍一直稱山東我軍為八部軍徐向前部。日軍情報認為只有12個團左右，兵力餘人。其次嚴重低估了八路軍火力，雖然不知道具體情況，但從決別電中看出八路有九二炮、還有一種火箭炮（從重慶兵工廠洩漏的訊息），數量還不少。

土橋一次郎嚴歷批評了情報機關，因為情報機關的失誤，造成了皇軍的重大損失。情報機關池很委屈，八路軍根據地可不像國府一樣四處漏風，情報人員進入根據地可謂是九死一生，除了八路設立的各關卡，根據地老百姓也非常警惕。但不論何種原因，情報確定有失誤，情報機關承認失誤，並保證儘快查清八路的情況。

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