法军把沪尾作为进攻目标，是孤拔侦察台北形势后临时提出的。[84]沪尾地处台北府的西北，与基隆互为犄角，相距80里，作为淡水河的出海口，是海上进入台北的主要通道，具有重要战略地位。沪尾及其所处淡水一带，自然条件优越，以输出茶叶闻名，经济繁荣，贸易发达。孤拔认为发动对淡水的进攻是占据基隆的必要补充。[85]他的要求很快得到法国政府许可，在后者看来，淡水和基隆都是向中国索取合适“同等价值的赔偿”。[86]但是，淡水一带各国商人聚集，倘若处理不慎，容易引来其他列强的干涉。因此，法国政府没有为此额外增加援军，而是希望孤拔在占领基隆的同时力所能及地顺手牵羊罢了，并且强调“不可波及城市”。[87]
与法军重基隆轻沪尾相反，刘铭传深知沪尾战略地位的重要性，把该地视为保卫台北的关键。第一次基隆之战后，为了加强沪尾的防御，刘铭传将孙开华所部擢胜三营全数布置于沪尾，并更换擢胜营的装备，同时命令增筑炮台。另从台北调柳泰和一营，从江南增援的刘朝祜、朱焕明所率500人也驻扎于沪尾。刘铭传还令李彤恩招募张李成土勇一营。这样，沪尾守军数量近4000人，较前增加了1倍，武器装备也有了改善。基隆首战后，由于法舰不时到沪尾侦察，刘铭传令李彤恩买船填石，用沉船堵塞口门，并在港口安设水雷，严阵以待。法舰则于9月26日派“蝮蛇”号前来封锁沪尾港，阻止清军援军上岸，为进攻沪尾做准备。
孤拔把进攻沪尾的任务交予利士比执行，并指示如何破坏沪尾的防御工事。[88]1884年10月1日晨，利比士率舰抵达沪尾，与封锁沪尾的“蝮蛇”号会合，此时法军在沪尾港外集中了4艘军舰。法舰向港内英国情报舰发信号，告知将在明日10时开火，以便欧洲侨民及时回避。
获悉法舰即将发动袭击，清军当夜把三门大炮装上新炮台，并决定先于法军开火。翌日6时左右，清军先发制人，新旧炮台的大炮一齐开火，但因“子小力薄，虽有命中，不能损其铁甲”，法舰仅“德斯丹”号与“凯旋”号受了轻伤。[89]法舰开炮回击，此时浓雾笼罩岸上的炮台，海面折射的阳光妨碍了视线，法军的炮火难以准确攻击到目标。直到7：30后，雾气散去，法军才能校正射击。清军新旧两个炮台很快遭到破坏，但清军官兵顽强抵抗到大炮全部被毁为止。上午10时左右，清军岸上的防御工事基本被摧毁，此役清军伤亡30余人。[90]在余下的时间里，法军继续向岸上射击，直到下午4时才停火。
当天夜里，利士比派人侦察清军堵塞航道的障碍物，寻找最佳的突破口。他们发现清军在港口埋设了水雷。要清除这些水雷，法军就必须摧毁岸上的点火哨。利士比估计他的部队不足以完成登陆作战，为此，他派“德斯丹”号前往基隆请求增援。5日夜，载着300名海军陆战队员的“雷诺堡”号、“杜居土路因”号、“胆”号赶到沪尾。利士比集合了600名陆战部队，由马丁中校指挥，编成5个中队，再配备2个水雷兵分队，每人携带一日的口粮，16包弹药和预备药夹。法军原打算即日登陆作战，但恶劣的天气迫使法军推迟计划。
8日，天气转好，法军着手实施登陆作战计划。陆战队的任务是彻底破坏新旧炮台的大炮，并夺取炮台间的点火哨，引爆水雷，然后归舰，全部行程大概6公里。由于马丁风湿病发作，指挥权转交给缺乏登陆作战经验的“雷诺堡”号舰长波林奴（Boulineau）。(www.xing528.com)
在舰炮的掩护下，法军未遇到任何抵抗便顺利地登陆。10时整，波林奴下达进攻命令。由“拉加利桑呢亚”号与“凯旋”号的第一、第二中队立即展开队形，迅速向新炮台稍右的方向前进。其后是“德斯丹”号、“雷诺堡”号、“胆”号、“杜居土路因”号诸舰的第三、第四中队组成的预备队，“巴雅”号的第五中队则负责掩护法军的左翼，斜行前进。法军越过最先一段盖满荆棘的沙丘，才发现眼前不是预想的“稻田和树丛”，而是一片非常隐蔽的土地：“谷地包含着一些围以生篱的小块的耕地和一些有刺的植物；一些茂密的树木，一些水沟和干沟，展布在一片宽达一公里左右的地面。”法军只得硬着头皮继续向前，波林奴期盼清军已被舰炮驱走，放弃阵地。[91]
一旦进入密林，法军便发现他们陷入困境。各中队及分队间“互不相见”，在这种情况下，陆战队无法继续统一的指挥，各中队只能独自行动，朝远处的新炮台方向前进。[92]此时，清军早已埋伏在这段密林覆盖的凹地严阵以待了。当日清晨，孙开华发现法舰行动异常，知法军即将上岸，便布置防线，亲自带领擢胜营三营镇守南路；刘朝祜和从基隆赶来的章高元各带铭中、武毅两营伏于大炮台山后为北路，防敌包抄；张李成所募土勇则守北路山涧。[93]临近11：30时[94]，法军进入伏击地带后，原先寂然无声的清军阵地猛地冲出身着红色和蓝色制服、人数众多的清军官兵，率先与处于法军队伍前面的第一、第二中队接仗。之后不到10分钟的时间里，法军所有的中队都陷入枪战之中，在长达1500米的战线上，双方展开激烈的交火。清军采取“待敌薄我而后战”的肉搏战术，与法军进行短兵相接。孙开华亲率卫队奋勇直前，阵斩法军旗兵，夺其旗帜，清军将士见状“士气益盛”，各路齐进。[95]
由于战斗异常激烈，波林奴担心法军的弹药消耗太快，准备下令停火。不巧身边的号手头部受伤倒下，他只能用口头下达命令，然而亢奋中的士兵并没有服从命令。此时，章高元与张李成分别率军从炮台后面与山涧冲出，威胁法军的右翼与左翼。法军左翼第五中队一度被清军冲断，被迫退却的右翼法军与左翼挤在一起，死伤不断增加，弹药已近枯竭。第一中队指挥官方丹、第二中队指挥官德荷合、第三中队的德曼中尉先后负伤退出战斗。波林奴在几次冲锋未果后，担心陷入包围，下令后撤。中午11：45，一名信号兵带着波林奴的命令在港口灯台的石柱上向军舰发出撤退的信号。[96]
接到信号的“蝮蛇”号驶近海岸，用炮火压制清军，掩护法军撤退。清军没有冒险追击，但风浪让小艇无法靠岸，法军士兵只能在齐颈的海水中艰难地行进。直到下午1：10，法军才全部归舰，仓皇离岸。负伤的方丹和运送他的3名士兵在退却中，被潜伏在草丛的张李成部下截获，当场被杀。德荷合虽被救回舰上，不久也重伤不治而死。此役，法军总共战死17人，受伤49人。清军阵亡80人，200人负伤。[97]
沪尾之战规模虽小，但意义重大。清军的获胜大大打击了法军的嚣张气焰，法人自称：“为着减轻这次痛苦事件的结果起见，人们将它称为侦察战；实际，这却是一次最严重的败战。这次败战对于以后的战役必然会发生最坏的影响。与中国的任何协商已经成为不可能。若干时以来希望美国出来调停的想头也不得不放弃了。”[98]1884年底时，孤拔总结有两个原因使得对基隆的占领最终变成灾难：“一是淡水的败战使得封锁势在必行；二是远征军的可悲的卫生状态，逼使提督非将所有可以动用的兵力留在基隆保护病兵不可。”[99]而之所以被迫滞留于基隆，还是与淡水的失败直接相关。法军占领基隆后，法国政府曾乐观地估计占领整个台湾北部也将为期不远，孤拔甚至已在谋划进攻旅顺的行动。[100]但沪尾的战败，立即使法军的计划蒙上阴影。巴德诺意识到淡水的失败将冲淡基隆胜利的成果：“中国人必然利用或扩大此项失败消息，可能有很严重的影响。”[101]这个担心很快应验。清廷获悉沪尾之战的结果后，军机处认为：“近日淡水之战，斩将夺旗，尤为大捷，入越各军，屡报获胜。现正雄师云集，力筹大举之际，若率允和议，既不足对环球各国，亦不足对中国人民。”[102]不仅拒绝法国在基隆之战后提出“暂管煤矿、海关若干年”的新要求，[103]且表示“开仗后，津约已作废纸……批准津约一语，恐仍难行”[104]。清政府的强硬和清军的顽强抵抗让法国政府看似嚣张其实相当脆弱的侵略计划陷入进退两难的困境。淡水之战后，法军意识到清军远非想象中那样弱小，“在这边采取守势固然需要严重警戒，而采取攻势也需要十分慎重”，孤拔认为若无足够的援军，法军无法发动新的进攻。[105]他们反倒担心沪尾的胜利会使中国人抵抗的信心膨胀。[106]法军不敢从陆路进攻沪尾，甚至暂时放弃占领矿山的计划。[107]孤拔决定暂缓对北直隶的进攻，先巩固基隆的阵地，等待援军的到来。原定对北直隶的进攻计划被迫中断，这使得整个“据地为质”计划都受挫。孤拔虽担心进攻的停滞将失去进攻旅顺的最佳时机，但却无可奈何。[108]与此同时，于1884年10月23日起，法国舰队用“和平封锁”的方式封锁台湾全岛，阻截来自大陆的援军。[109]台湾之战进入封锁与反封锁的阶段。
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