1月29日，马元海电告马步芳：红军大部离开甘新公路进入甘州南的倪家营子，占堡寨43处，星罗棋布于周围十里之地，总人数约有1．3万人。马步芳急于消灭红军，向蒋介石邀功请赏，遂将其防堵红军的主力及大量民团，火速向倪家营子地区集中，对西路军展开了全面围攻。从2月1日起，敌先后投入的围攻兵力有6个步骑旅及大量反动民团，共7万多人。西路军以寡敌众，与敌展开了一场为期40天的大血战。
西路军总指挥部设在下营子中心地带的一个坚固屯庄——廖家屯。徐向前为集中兵力，形成拳头，将部队收缩在下营子地区，以三十军扼守西南方向，九军扼守东北方向，两军阵地相接，构成了一个椭园形的坚固防御体系。敌人的马队整天象潮水似的向西路军的阵地不停地冲击。五颜六色的黑马营、花马营、白马营、红马营的骑兵，奔驰在戈壁滩上，发出震人肺腑的嘶鸣，冲上来又退下去，退下去又冲上来，用白布裹着脑袋、蓄着络腮胡子、穿着羊皮袄的马家军，象醉汉似的，喂哇乱叫，挥舞着马刀，不断地冲锋。他们疯狂、残忍、野蛮至极，不分男女老幼，见人就砍。西路军的指战员们，胸中燃烧着杀敌复仇的怒火，以压倒一切敌人的英雄气概，与敌人血战，“一片土地一片血，一个战士一团火。”每个屯庄周围，每个指战员的面前，都是埋葬敌人的坟场。他们的子弹打光了，就用大刀、长矛、木棍、石头、树叉同敌人拼搏。围墙被炮火轰塌了，血肉就是屏障，前面的人倒下去，后面的堵上来，负伤倒在地上了，仍握紧武器，单等敌人来到跟前，拼上最后的力气搏杀。武器没有了，就抱住敌人用牙齿咬，用手撕，拔掉敌人的胡子，扼住敌人的喉咙，咬掉敌人的耳朵、鼻子、手指。在这块战场上，没有男和女、中壮年和青少年、轻伤员和重伤员、战斗人员和勤杂人员的区别，人人都是威武不屈的战士，他们用生命、理想迸发出的全部力量，以一当十，以百当千，与数倍于己的敌军反复拼搏，日夜厮杀。
红三十军二六三团九连的130多人，坚守在前沿阵地的一个屯庄里。从拂晓战斗到黄昏，全连最后只剩下9个人，而阵地却巍然屹立。著名的“夜老虎”团，侦知敌人在雷家屯存放着大批弹药武器，他们派一个排，借着夜色的掩护，神不知鬼不觉地穿过敌人的阵地，翻进了雷家屯的围墙。守敌一个排尚未清醒过来，即遭全歼。敌军火共有24车，被战士们通通点燃，爆炸声震天动地。
血战在继续，谁也难以预料战斗结束的时日。徐向前忧心忡忡，彻夜难眠。他的眼睛熬红了，面容愈加消瘦，脸色象铁石般的青硬。他从得到的情报和敌人进攻的凶焰判断，短期内敌人是不会停止攻势的。这样坚持下去，胜利的希望十分渺茫，危险甚大。总指挥部的所在地廖家屯，已屡遭敌人骑兵的袭扰。白天，徐向前除了用电话和电台指挥各部队抗击敌人外，经常要到屯庄的望楼和围墙上，观察敌人的动静，检查防御工事，鼓励指战员们保卫阵地。夜晚，他大都在电话机旁或电台旁踱来踱去，及时综合战斗情报，反复思索、分析、判断，设想着种种摆脱危境的方案。
战至2月中旬，西路军在倪家营子先后击退敌人的大规模进攻达八、九次之多。总计毙伤敌前线总指挥马元海以下万余人，取得了惊人的战绩。但西路军自身伤亡亦大，兵力已不足万人，彩病号占三分之一。军政委员会讨论了当时的处境和行动方针，除陈昌浩外，一致支持徐向前的突围自救意见。最后，陈昌浩才勉强作出了突围的决定。
西路军突围进至威狄堡地区，又受敌阻。徐向前主张向祁连山转移，但陈昌浩反对所谓“右倾逃跑”，又决定连夜回师，继续固守倪家营子，这就注定了它最后失败的命运。
许多指战员对于一会儿东开，一会儿西进，迷惑不解。徐向前判断：西路军重返倪家营子，敌人势必迅速合围和猛攻，以求短期内歼灭西路军。他号召部队作最困难的准备，想尽一切办法搜集粮食、用水，众志成城，战胜困难，在绝境中求胜利。同时，和陈昌浩数电党中央，请求火速派部队西进来援。
敌人的围攻又开始了。他们依仗众多的兵力，对西路军层层包围，多路突击。许多屯庄的围墙、房屋已残破不堪，西路军指战员依仗断垣残壁坚守，伤亡越来越大，形势越来越险恶。敌人的进攻，不仅限于前沿屯庄，而且往往直插纵深，对红军心脏地区和后方的屯庄，进行包围和突袭。廖家屯仍是徐向前和总指挥部的所在地，也屡遭敌人围攻，在最危急的时刻，徐向前上到房顶，指挥战斗。他从这个房顶跳到那一房顶，指挥部队打击冲进屯庄的敌人。那矫健的身影，沉着威严的气概，激奋着指战员们英勇杀敌。24日，西路军电告中央军委：“敌骑日夜接近，步骑炮集中日夜交战，西路军不战胜此敌，必有极大牺牲，西进不可能时，东进亦不可能。”请求军委派8个团以上的兵力，西进向凉州地区进攻，以救援西路军。“不然我们只有抱全部牺牲决心，在此战至最后一滴血而已。”26日，军委主席团复电：“甲、固守五十天。乙、我们正用各种有效方法援助你们。”
经7昼夜血战，陈昌浩眼看部队损伤惨重，待援又无希望，这才和徐向前一同下决心，下令再次突围，向祁连山转移。陈昌浩这时也痛切地感到，重返倪家营子是最大的失策。徐向前没有埋怨他。风雨同舟，患难与共。在这种时候，两位领导人之间的紧密团结与合作，比什么都重要。
中共中央和军委对西路军的危难处境，极为忧虑。除紧急指示在西安谈判的周恩来强烈申述中共中央的严正要求，要蒋介石履行诺言，勒令二马立即停攻西路军外，于2月27日决定组成援西军，委任刘伯承为司令员，张浩为政委，出兵增援西路军。但指示以不影响和平大局，不使增援军又陷入困境为前提。3月5日，军委命令援西军从淳化、三原出动，向镇原方向开进。周恩来也在西安向顾祝同申明了援西军西进的理由，要国民党政府从两党共同抗日的大局出发，令二马立即停止进攻西路军。但这时显然已无法扭转局势了。
西路军从倪家营子再次突围后，急速转移到临泽以南的三道流沟地区，又被大批追敌包围。
三道流沟，是由东、南、西三条低洼的古流水沟形成的一块狭长地带，每条流沟里都座落着一些稀疏的堡寨和房屋。流沟周围，多是戈壁滩和沙漠。被围在这里，大家已精疲力竭。听到军委已派出援西军的喜讯，无不高兴。徐向前、陈昌浩决心坚守防御，“死斗待援”。近8000人被围困分割在三条流沟里，整天被敌用“羊群式”的战术，轮番猛攻。太阳被硝烟尘土掩得暗淡无光，战地处处是刀光、血影和凄厉的马嘶声、喊杀声、爆炸声、枪炮声。待援无望，激战五天后，徐向前和陈昌浩命令部队突围，向祁连山里转移。
夜幕低垂，北风呼啸。积雪覆盖着的祁连山麓，无声无息地蜷伏着。敌人的宿营地里，篝火熊熊，人影幢幢。黎明时分，西路军的大队进入梨园口。徐向前将九军的两个团部署在山口的两端，卡住大门，三十军的两个团部署在二线，顶在中间，总指挥部和其余部队住梨园堡，拟稍加休整后沿着狭谷转进深山老林，坚持斗争。年仅25岁的九军政委陈海松，指挥队伍经过屡次血战，虽然还保持两个团的建制，但实际上合共不到1000人。进入梨园口后，他不顾连夜急行军的疲劳，一会儿爬上这个山头，一会儿又爬到那个山头，不断察看阵地，部署部队完成把守山口、掩护全军的光荣任务。一轮红日高高升起的时候，远处的地平线上，突然卷起了滚滚烟尘。霎时又有大量运动快速的骑兵，采取迂回包抄的战术，从山前、山后、山左、山右兜了过来。这里的山包既不高，又不陡，敌人的骑兵在山地运动，如履平地，一个冲锋就能直接窜到山顶上来。九军的阵地，被敌骑冲得七零八落。经几个小时的血战，陈海松政委和七、八百名指战员，全部壮烈牺牲。这时，三十军的二六三团、二六四团为掩护总指挥部和其余部队，也正在自己的阵地上与敌激战。二六四团被敌压迫在一道狭谷里，二六三团被分割到另一条山梁子上，都和马家军扭成了一团。大刀砍卷了，刺刀折断了，子弹打光了，喉咙嘶哑了，鲜血染红了狭谷。战士们衣服撕扯成碎片，几乎一丝不挂，在同敌人扭打、撕咬、格斗，抱住敌人，一同滚下山崖。二六四团全部拼光，二六三团也大部牺牲。他们宁死不屈，用鲜血和生命保卫了总指挥部和兄弟部队的安全。
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