杜立特轟炸日本本土後，機群返回中國。中途有20架b24留在了山東軍區機場，其中有6架被擊傷。還有3架b29受損在沂蒙機場迫降，好在機組人員安然無恙，這3架飛機不是給山東軍區的，b29是美軍最新型的轟炸機，美國人不可能那麼大方，後續美軍會派人來維修。
李振華一直在關注日軍的反應，日軍部隊暫時沒有大規模的調動，但他也不敢掉以輕心。果然日軍不死心，轟炸後的第10天有3架日軍飛機闖入根據地，被防空哨發現，臨沂機場起飛p40戰鬥機攔截，3架日機匆匆在臨沂機場周邊扔下炸彈，轉頭向北逃竄。p40戰機追了上去，擊落其中的2架，1架日機僥幸逃脫。
日機扔下的炸彈並未爆炸，讓李振華的心提了起來。他立即命令組建搜索隊搜尋，叮囑搜索人員找到目標不要輕易接觸，並派醫護人員跟隨，還帶上了照相機。搜索隊派出去不多久，沂山軍區發來了電報，墜毀的飛機裡日軍穿著防護服。電報證實了李振華的猜想，日軍兵力不足轉而采用了細菌武器攻擊的方式，阻止美軍航空隊利用臨沂機場。李振華要求沂山軍區嚴密搜查墜毀飛機，並拍照留下證據。
炸彈也找到了，是陶瓷質地的，彈體已四分五裂，周邊還有碎棉絮、碎布、麥粒、穀糠。李振華命令搜索隊把現場的情形全部用相機拍攝下來，專人收集了破碎的彈體。山東軍區把發現陶瓷炸彈、碎棉絮、碎布、麥粒、穀糠的地方設為禁區，搜索隊全部就地隔離在禁區。李振華讓禁區內的搜索部隊便用柴草、汽油焚燒這些汙染區域，又用石灰水大範圍消毒。李振華向山東軍區作了詳細彙報，山東軍區緊急調派藥品和醫護人員前來防疫。由於處置及時、得當，疫情沒有大規模擴散。疫情被限製在了臨沂機場周邊範圍，隻有機場工作及防衛人員、中美飛行員、搜索隊成員和周邊居民受到了疫情波及，這裡麵多年培養的赤腳醫生這個群體在疫情防控中立下了大功，雖然他們沒有太高深的醫術，但他們有現代醫學常識。由於他們的嚴密盯防，疫情很快被撲滅了。疫情總共隻造成了30多人的傷亡，其中有3名美軍機組人員死亡，算是不幸中的萬幸。山東軍區把這次防疫事件當成典型來推廣，讓山東根據地廣大軍民提高警惕，並樹立科學的防疫觀念。
整個事件山東軍區都做完整的記錄，用照片記錄下證據，每個受害者都有完整的病曆，在沂山墜毀的飛機上還繳獲了部分文件，形成日軍使用細菌武器的證據鏈。李振華找人寫了份完整的報告，在"新華日報"上發表，並邀請國內外記者來根據地采訪報道。文章中提出了留取證據，以待抗戰勝利後指證事件策劃者、實施者為戰犯，並向日本政府索賠的概念。
新華社的報道引起了歐美記者愛潑斯坦、白修德、福爾曼、斯坦因，國內記者張鬱廉?、趙家欣、郭留昌等人的注意，他們通過不同的途徑來到山東軍區，用他們的筆詳細記錄事件的整個過程。國內外報紙上報道了這一事件，在國內外引起了非常大的反響。他們還深入山東根據地，記錄了根據地生活、戰鬥的點點滴滴，成為了讓外界了解中共根據地實際狀況的一個窗口，提升我黨在國內外的聲望。
北平日軍華北派潰軍司令部，岡村寧次一臉苦澀。他已得到通知，大本營要求山西大同第26師團立即啟程到天津，從天津港乘船前往菲律賓。這是命令，沒有任何商量的餘地。本來他還想抽調第26師團前往山東，配合從武漢調回的第37師穩定山東的局勢，然而大本營的一紙命令，讓他計劃的一切都泡湯了。因為華北兵力不足，不僅是山東，整個華北平原包括冀東），中共力量活躍了起來，治安肅正運動蠶食的八路軍根據地不斷喪失。因為從華中抽調第37師團回華北，第11軍司令官橫山勇非常不滿意。
橫山勇的不滿也有道理，曆次長沙會戰日軍都動員10一12萬人，應對第9戰區兵力明顯不夠，要不能也不會三次長沙會戰均遭失敗。橫山勇想一雪前恥，兵力就一定要得到加強。1號作戰鬥計劃中進行長衡會戰將調用20餘萬日軍，參戰部隊包括第3、第13、第27、第34、第37、第40、第58、第64、第68、第116師團，以及第5、第7、第12、第17獨立混成旅團，輔以飛行團和海軍一部。獨立混成第5旅團在莒縣之戰中被全殲，第7獨立混成旅團在臨沂戰役中被全殲，第37師團被華北派遣軍調回山東，兵力減少4萬餘人。第27師團南下時人員損失了4000餘人，第11軍主力在這幾年迭遭重創，去年年底常德會戰又損失5萬餘人，還損失了大量重武器。經半年休整，第11軍雖然編製滿員了，但戰鬥力已大打折扣，重武器也尚未完全補充。為應對長衡會戰，日軍特意調來了獨立野山重炮6聯隊額外200門大炮，以彌補第11軍火力不足。
日軍第11軍軍部從漢口前移至蒲圻，中國派遣軍也在漢口設立前進指揮部。長衡會戰第一階段長沙會戰自5月底爆發以來，遭到第9戰區激烈抵抗。為應對薛嶽的天爐戰法，日軍吸取前三次教訓，采取穩紮穩打策略，準備分兵擊破國軍側翼包圍，避免深入消耗，使國軍無法有效誘敵圍殲。??
日軍以第64師團、第68師團、獨立17混成旅團、獨立混成第12旅團分任贛北、武漢地區的警備。第68師團原本分配在中路進攻，1號作戰計劃中第5、7混成旅團用來防守贛北、湖北長江以南地區，但第5、7混成旅團在山東被殲滅，第68師團不得不留下來填補防衛空檔。
日軍從多個方向同時發起進攻。左翼以第3師團、第13師團進攻通城，向瀏陽、醴陵、萍鄉方向推進。中路以第34、116師團正麵突破新牆河、汨羅江向長沙進攻。右翼第40師團南渡洞庭湖，進攻益陽、寧鄉，威脅長沙側後，同時日軍還配備了第二線兵團第27、58師團尾隨。
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