同治九年（1870年）春，清军对金积堡的围攻进入白热化阶段。刘松山率老湘营连破外围堡寨数百座，将马化龙的核心防线压缩至堡墙三丈之内。此时的金积堡内粮草断绝，战马啃食树皮充饥，堡外清军壕沟纵横，形成合围态势。马化龙在绝境中祭出惯用的诈降策略，派遣使者向刘松山递交降书，声称愿率部归顺朝廷。
刘松山深知马化龙反复无常的习性，此前马化龙曾多次以诈降换取清军暂缓进攻。同治八年（1869年）冬，马化龙曾向刘松山献出五百石粮食，换取清军暂停对吴忠堡的进攻，实则暗中加固防御工事。此次诈降书送达时，刘松山正面临后勤压力——清军粮道屡遭回民骑兵袭扰，灵州至金积堡的补给线时断时续，士兵每日仅能领到半碗粟米。
刘锦棠与董福祥联名劝阻刘松山，指出马化龙的降书疑点重重：金积堡内仍有千余匹战马未交出，堡墙新增的射击孔显示防御工事仍在加强。董福祥特别提醒：“回军惯用诱敌之计，九旗堡之役简敬临便是前车之鉴”。同治八年十二月，湘军悍将简敬临率四营两千人攻打九旗堡时，因轻信回民军诈降，遭伏兵突袭，全军覆没，简敬临被生擒活剐。但刘松山认为战机稍纵即逝，若能兵不血刃拿下金积堡，可提前结束西北战事。他力排众议，决定亲率三十骑前往马五寨受降。
二月十四日辰时，刘松山身着三品武官补服，率卫队抵达马五寨东门。寨门缓缓开启，马化龙的侄子马五率数十人迎出，声称叔父正在寨内准备降表。当刘松山进入寨门时，两侧窑洞突然射出密集枪弹，卫队中三人当场毙命。刘松山坐骑受惊前冲，被预先埋设的绊马索绊倒，他滚落尘埃时，数支火枪同时对准其左胸开火。
亲兵队长王得魁拼死将刘松山拖入街角土墙后，发现其左胸中弹七处，右肩贯穿伤深可见骨。此时寨内伏兵从屋顶、地道蜂拥而出，董福祥率后续部队赶到时，刘松山已陷入昏迷。突围过程中，卫队仅存八人，刘松山被抬回清军大营后，于当日酉时伤重身亡，年仅三十八岁。临终前，他对董福祥留下遗言：“悔不听君言，致有此祸”。
刘松山之死引发连锁反应。回民军趁机发动反攻，马正和部夺回峡口，切断清军西路粮道；白彦虎部攻破固原，兵锋直指平凉。左宗棠在平凉行辕接到战报后，立即调整部署：命刘锦棠接统老湘营，黄鼎率彝兵驰援金积堡，雷正绾部严防叛军东进陕西。
刘锦棠采取“围三阙一”战术，故意留出金积堡北门缺口，却在秦渠沿岸埋设连环雷。回民军突围部队遭伏兵截杀，折损过半。同时，清军切断金积堡与河州、西宁的联系，马化龙求援无果，堡内开始出现人相食的惨状。据《平回志》记载，至同治九年十月，金积堡内“人皆相食，析骸而爨”。
同治十年（1871年）正月，金积堡内粮绝已久，马化龙被迫自缚出降。刘锦棠在堡内搜出私藏的俄制步枪一千二百支、火药三万斤，证实了诈降阴谋。左宗棠亲赴金积堡督战，下令将马化龙父子及七十二名叛军首领凌迟处死，其余三千余名降卒发配边疆。
此役清军损失惨重，包括简敬临、姚连升等七位提督战死，普通士兵伤亡逾万。金积堡之战成为左宗棠西征的转折点，此后河州、西宁、肃州的回民武装相继被平定，为收复新疆奠定了基础。
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