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听到明军来袭的消息，小西行长立刻收缩防线，把第二军团一万三千人的主力全撤到倭城里。与此同时，他还派人偷偷向岛津义弘发出求援，让泗川日军尽快调来一部增援。
这个情报被刘綎侦知到了，他觉得很不踏实。
西路军是三路军中最弱的一环，如果要面对两路日军，肯定吃亏。再说了，西路军主力是川军，那都是刘綎自己攒下来的家底，跟中路军董一元那数万死了也不心疼的混合部队不一样。出于这种心理，刘綎觉得自己太吃亏，给董一元写信，让他快点在中路施加压力，等泗川日军退回以后，他再打顺天不迟到。
也就是说，麻贵在东路望着中路进展；董一元在中路望着西路进展；刘綎在西路，还等着中路有突破，三路明军陷入了一个死循环……
恰好这时候小西行长主动给刘綎写了一封信，表达了议和的愿望。
刘綎一听，乐了。在明军将领印象里，小西行长是个庸将，动辄就想跟人和谈，缺乏加藤清正一样的勇气。刘綎盘算的是，如果能借和谈的机会把他诓出来，一战擒下，岂不是省了许多麻烦？
两位使者去了倭城，带回了一份极其重要的情报给刘綎：“秀吉已死，诸将思归。”
刘綎一听，大喜过望。这时机实在是太完美了，既然敌人要退，那就没必要拼命了嘛！他趁热打铁，派了一个叫吴宗道的人继续去跟小西行长联系，商定和谈的具体细节。
吴宗道跟小西行长说：“你当初差点就封给大明的官。我们知道你是诚信，坏的是加藤清正。你们现在混不下去了，赶紧跟我们和谈得了。”
小西对吴宗道的说法将信将疑。他也不是没跟明军面对面和谈过，但那些遭遇实在不是什么好回忆。刘綎一看小西态度不是很积极，有点急，他为了表示诚意，居然单枪匹马来到倭城前，每次目送着吴宗道进城，方才离去，活像一个每天去女生宿舍楼下痴痴等待的男大学生。
看到刘綎这么浪漫，小西终于消除了疑心，决定试着跟他谈一谈。
九月二十日，明军抵达顺天旧城。刘綎兴高采烈地给小西发短信，说我已经到了，你出来吧。
小西精心打扮了一下，带着五十个人离开顺天倭城，奔着旧城而来。满心琢磨着和谈的小西万万没想到，刘綎已经安排下了大军等着他。
这也怪日本人没记性。明军将领的和谈，永远都是不能相信的。明代的政治生态，注定了所有真心想和谈的明军将领都不会有好下场——所以远的李如松，近的杨镐，他们召人和谈只有一个目的，就是掷杯为号，左右刀斧手杀出。
为了迎接小西行长，刘綎可是费尽了心思。
他找了一个旗牌官员王文宪冒充自己，而他自己则装成千总的模样；另外还找了个虞侯冒充接伴使李德馨，还有一个朝鲜军官卞弘达冒充都元帅，整个扎了个草台班子。刘綎自己则穿上千总的服饰，给假刘綎在一旁捧着箭壶。
在大帐四周，刘綎埋伏下了重兵火器，还安排了二十只信鸽。刘綎跟诸将约定，只要看他离开大帐，立刻点炮为号，四面杀出。同时放出飞鸽，通知王之翰、司懋官，让他们一见白鸽飞起，就从光阳杀至倭城，拦住退路。
小西行长带了五十人离开倭城，走过海农仓以后，忽然发现附近明军甚多，心里有些生疑，吩咐左右多多留神。
等日方一行抵达明军大帐以后，假刘綎一干人等出来相迎。双方互相寒暄了一阵，这时小西看见真刘綎在旁边站着，手里还捧着个箭壶。他走过去打量一番，说这人面相不错，是个有福之相。刘綎大惊，以为自己被识破了，连忙借故离开帐篷。
一出去，他立刻喝令放炮放鸽子放狗，准备动手。小西本来就满腹疑窦，一听外头炮响，马上醒悟过来，带着那五十个随从抽刀杀出帐篷，抢过马匹就走。《明末纪事本末》里写到这一段时，把小西的夺路而逃写的很帅，说“行长腾跃上马，从骑一字雁列，风剪电掣，旋转格杀。”
却说小西杀出重围，头也不回地就往倭城跑。王之翰带着苗兵前去拦截，但战马不够，跑不过小西，眼睁睁看着他跑进城里，把门一关，再也不回来了。
关于小西如何觉察刘綎计划的，有好几种说法。有的说小西走到一半，明军的鸽子不小心放早了，惊动了小西，立刻拨马回城，根本没见到刘綎；有的说刘綎军中有一个降倭的千总，在半路拦住小西泄露机密，导致他中途就跑回去了。
不管是哪种吧，反正小西是顺利逃回倭城了，刘綎的“和谈”计划失败。
刘綎还不甘心，又派人去解释，说昨天我们放炮是礼节，没别的意思。小西行长心里想你当我白痴啊，随口敷衍了几句，打死也不出来了。
既然不出来，没办法，索性直接打吧。
恰好陈璘和李舜臣的水军也已经靠近顺天了，已对日军形成了夹击之势。于是刘綎下令，水陆并进，一齐攻城。
陈璘、李舜臣的水军是在九月十五日离开水军基地的，在罗老岛盘桓了两天以后，于十八日出发，经防踏抵达左水营，并于二十日上午八时许来到顺天倭城西南侧的柚岛。
之所以走的这么慢，是因为两位主帅爆发了矛盾。
这一路水军的战略任务，是横扫全罗、庆尚海域。由于水战的特殊性，所以邢玠没有规定联军具体的作战路线，要指挥官自己酌定。
陈璘认为应该先易再难，先去讨伐在南海岛活动的朝鲜伪军；李舜臣却认为那些伪军根本不足虑，只要干掉日军主力，他们肯定不战自溃。两个人在左水营就这个分歧大吵了一架，陈璘逼急了，说要请出皇帝的尚方宝剑，谁不听命令就斩了谁；李舜臣也急了，脖子一梗，说你杀了我得了，反正我只打日本人，朝鲜人不打朝鲜人。
这时候刘綎进军顺天的消息传了过来，亟需水军配合。这才算是为两个人解了围，陈璘接受了李舜臣的意见，先开往顺天去打小西行长，再回头收拾南海岛伪军。
在九月二十日夜间，陈、李水师抵达了顺天前洋。到了次日清晨，因为潮水太浅不便近战，舰队就围绕在顺天倭城近水海岸，用舰炮向城内射击。小西行长一看外洋旌旗飘动，飞扬炫目，层层叠叠全是明、朝的黑帆大船，吓得不敢出城，一直憋到夕阳快落山了，才派出一彪人马出来试探。这支人马被陈璘的海军陆战队——土狼兵打得溃不成军，惊慌退入城中。当天夜里，李舜臣怕日本人夜袭，亲自带兵在各营通宵巡逻。
这一天南海的朝鲜伪军想摸过来占便宜，结果被联军早早发现，迎头痛击，夺船抢粮，伪军被迫登陆逃遁。
九月二十二日一大早，趁着涨潮，联军水师大举进攻。小西行长觉得总是龟缩在城里，早晚要死，就派兵出去反击。明军游击将军季金的船只不小心搁浅在沙滩上，被日军围着狠打。好在大明的船高，就算搁浅了，日本人的小短腿一时半会儿也上不去。季金站在船舷上，抗着火炮一通乱打，把日本人轰跑了。其他援军过来，趁机把他们救了回去。这一战，明军战死十一人，季金左臂中弹。
打着打着，陈璘和李舜臣都发现了一件事，刘綎的陆军跑哪里去了？
说好了水陆并进，现在水军已经把敌人调动出来了，北面的陆军应该趁机攻城才对呀？怎么一点动静都没有呢？
水军毕竟主力是水手，陆战队人数不是很多。与小西行长僵持了一阵，陈、李赶在落潮之前把舰队撤去了外洋。陈璘心里有些不痛快，派人去问刘綎到底怎么回事。
不问还好，一问差点把陈璘鼻子给气歪了。
刘綎没干别的，督促了西路大军悠哉游哉地打造着各种攻城器械，看这架势，没个四、五天功夫是造不完……
从反面想，刘綎这实在有点消极怠工；从正面想，他也是想打一场有准备的攻城战。
眼下联军水军堵住了敌人的退路，陆军又包围了倭城，大造攻城器械。各方面都觉得刘綎虽然动作慢了点，但形势比人强，看来小西行长这回是劫数难逃啊——可是，一位朝鲜的义军将领林权在与刘綎见完面以后，道出了实情：“刘公无战心，必以和退也。”
既然陆军不动，水军也不能轻易出动。于是从陈璘和李舜臣把舰队驻屯在外洋，暂时偃旗息鼓。
于是从二十二日到二十八日，战场上进入难得的安静期，明军埋头做着木工活，小西行长在城里忧心忡忡地算计着存粮。
一直到了二十九日，攻城器械终于都造完了。刘綎耀武扬威地把这些东西运到城下，不断调试；水军也配合着在顺天附近洋面操练。整个顺天倭城里的倭寇都惊惧不已。
这一折腾，足足折腾了好几天，一直到十月二日，刘綎这才下令正式开始攻城。
十月二日一大早，刘綎会集诸军，把自己的大将旗高高竖起来，命令明军前锋吴广带着轮车、高梯、飞楼、炮车等攻城器械，黑压压地一片朝顺天倭城压去。权僳带着朝鲜军也全线出动，配合明军作战。
明军的第一道锋线，是王之翰、司懋官的苗兵。苗兵在明军中算得上是战斗力数一数二的强军，他们在两人的带领下，冒着日军如雨般的枪击一口气冲到了倭城城下的木栅外。在这里他们遭遇了日军的强力阻击，阵亡了四十余人，不得不后退。王之翰不甘心，带着人又冲了一次，干掉了十几个鬼子，暂时掌握了主动权。
这个时候，需要的是明军后继部队扩大优势。可是王之翰回头一看，傻眼了，他发现后队明军爬得像是蜗牛一样，离着城下还隔着几百步远。
原来那些飞楼什么的，都是特别重的东西，推起来非常慢。明军进攻意志又不坚决，磨磨蹭蹭的，结果导致前锋和主攻部队前后脱节。对此吴广本人十分焦急，但也无可奈何，毕竟重力是不可控制的。
小西行长在城楼上看到了这番景象，不失时机地下令，让铁炮部队都对准这些攻城队猛轰。
前面说了，顺天倭城的占地不如泗川倭城、蔚山倭城大，可有一个特点：高。因此日军射手们可以居高临下进行射击，射程远，角度刁，对明军的威胁极大。
在日军的密集打击之下，那些推车的明军纷纷被击中，其他人吓得失魂落魄，纷纷缩在高大的飞楼与炮车后面来躲避枪弹。拿飞楼和炮车做掩体是个防御射击的好办法，可是也别指望这些粗笨的东西能再挪动半分——只要明军冒头推车，就会被日军的铁炮打回去。
大的动不了，小的总能动吧。负责运送轮车、高梯的明军部队没有掩体可以遮挡，只能硬着头皮朝前冲去，结果导致攻城部队进一步脱节。
等到这些东西千辛万苦顶到城下与王之翰的部队汇合，城头忽然丢下来无数火把。这些火把都沾了油，一碰到那些木制、竹制的攻城器械，呼啦啦地全开始燃烧起来。紧接着又是守城的传统项目滚木巨石，让城下明军死伤枕籍。
而此时那些飞楼、炮车后的明军，仍旧被压制得抬不起头来，进不能进，退不能退，更别说去救援友军了。
王之翰、司懋官一看，再这么拖下去，这些苗兵全都得白白死在城下，帽子一甩，老子不打了，撤！
刘綎远远望见，急忙挥动令旗，命令他们不许撤退。可王、司二将不管这一套，带着人就往回退。小西行长一见明军退了，传令开城追击。数千倭寇气势汹汹地杀了出来。
王、司二人后退的时候，发现日军在城外撒满了菱铁，必须散开队形才能避开。这一散，散出了大麻烦——不仅自己的部队跑了一个散乱颠沛，而且还给日军追兵让开了一条路，让他们直杀入吴广的攻城部队中。
吴广的部队在楼、车之后已经藏了半天多，个个疲惫不堪，有的干脆靠着木板睡着了。外头铁炮声忽然停息，大家都松了一口气，可这口气刚松了一半，又紧了回去，大队的日本武士陡然已杀到了面前。
毫无心理准备的明军登时大乱，吴广见势不妙，带头逃跑，余军大溃，纷纷扔下楼车朝阵地后头撤去。日军趁乱追击，杀得明军七零八落。后方负责援护的李芳春、牛伯英两支骑兵部队看到这一变局，急忙前进，遮护住溃败的友军，打断日军的追击。朝鲜军也有一营远远地朝日本人射箭，一直射光了箭才退去。
日军一见明军骑兵主力到了，不敢恋战，就地把攻城器械一把火烧了，然后退入城去。
陈璘、李舜臣的水军本来为配合陆军攻城，在前洋也展开了声势浩大的进攻，朝鲜军数名将领阵亡或负伤，可见战况之激烈。可他们没想到陆军的进攻这么快就失败了，只得趁退潮之际退回外海。
第一次攻城不利，所有的将领面色都不好看。只有刘綎神情自若，安慰众将说咱们兵力如此之盛，干掉小西行长这个小丑一点都不难，今天只是试探一下，看看他们的虚实。
辛辛苦苦造了这么多攻城器械，被日本人付之一炬，他倒是一点不心疼。就连临时脱逃的吴广，刘綎也只是象征性地派人过去申饬了一番，没做深究。
安慰完这些将领，刘綎派人给陈璘送去了一封信，信里说今天日本人打胜了，防守一定松懈，你们趁二更天进攻，我们也搞夜袭，小西行长死定了。
陈璘觉得这提议很靠谱，欣然答应，和李舜臣等整顿舰队，在十月初三的二更时分悄悄地迫近倭城。陈璘没急着进攻，而是先侧耳倾听。他听到远处一阵隐约传来的鹅叫，大喜道：“这是刘将军的陆军开始进攻的暗号，咱们可以开始动手了。”
海上夜战，只能凭灯光为号。陈璘吩咐旗舰上升起进攻的灯火，诸船也举灯响应，一时间整个顺天洋面星星点点，如若银河。
倭城里的守夜士兵看到这番盛况，吓得肝胆俱裂，急忙通报小西行长。小西行长衣服都来不及穿，急忙下床出门。他刚一出门，就听身后三声巨响，回头一看，整栋房子化为齑粉……
原来陈璘号令联军水师一字排开，先用舰炮向日本人打招呼。明军的战船吨位大，装载的火炮无论射程还是威力也非日、朝水军所能比拟，这几炮下来，竟直接射入城中，差点给小西行长搞了一次“斩首行动”。
小西行长浑身冷汗直