1894年9月8日，正當中日兩國在朝鮮慘烈激戰時，江南道監察御史張仲炘彈劾正當前敵的直隸總督李鴻章，罪名是腐敗、通敵。在這篇《奏陳北洋情事請旨密查並請特派大臣督辦天津團練折》中，張仲炘指控李鴻章及其子李經方向日本人出售大米和煤炭，李經方甚至與日本王室攀親，還在日本開了一家洋行。張仲炘承認這些都是風聞，“始聞之而詫，繼而不能無疑，如果屬真，則自無怪乎縱容奸細、售買米煤之種種乖謬矣。”張仲炘說天津日本間諜案被破獲後，還查出地雷炸藥八箱，但李鴻章卻在審理後，不僅隱匿不報，而且私放間諜，並給銀資行。這個間諜案後來在紫禁城裏引起了軒然大波……
李鴻章的難言之隱
此後，石川到天津擔任日本武官關文炳的助手，到蒙古、西安、洛陽等地刺探軍情。在關文炳死後，他又配合其繼任者井上敏夫，測量黃海的重要軍港及航道的水文資料，爲日後日軍入侵提供了重要情報。在天津期間，石川以紫竹林松昌洋行職員的身份爲掩護，成功收買了天津軍械局的書辦劉棻(又稱劉樹棻、劉五等)，獲得大量第一手軍事情報。
石川的暴露，牽涉到另一外交糾紛重慶號事件。重慶號是一艘英國客輪，往返於天津和上海之間，高升號慘案發生不久，天津當地民衆冒充清軍搜查並痛毆了搭乘重慶號撤離的日本領事館人員及其家屬，意外地搜獲日本間諜瀧川具和發給天津領事館武官的密信，獲悉了潛伏日諜石川的動態。日本外交人員及僑民均在開戰後撤離天津，只石川伍一及鍾崎三郎兩人受命潛伏，但因美國領事堅決反對其留在租界內，石川遂搬到劉棻家，而鍾崎則轉往關外，並在那裏被捕。
石川在搬進劉棻家的次日(1894年8月4日)清晨，就被天津城守營拿獲，當日，天津海關道盛宣懷即向李鴻章彙報此事。在初審中，石川口風很緊，不承認自己的間諜身份。而受託爲日本國護僑的美國，則開始積極干預此案，婉轉希望“如遇有日本人改裝在內地作奸細者，即將其解交就近海口逐其回國，使之不得與內地華民交接，於中國防泄軍機似亦爲無礙，且此辦法，已足爲懲其作奸細之罪。”美國的逾情之請，被中國政府拒絕，總理衙門表示將根據國際公法，處決戰時間諜。
石川被捕後第10天(8月13日)，上海法租界又破獲楠內有次郎、福原林平間諜案，兩人隨即被租界當局送交美國駐上海總領事館庇護。6天后(8月19日)，藤島武彥、高見武夫在浙江被捕。此三案因美國插手而相互關聯，其中最早且危害最大的石川一案，成爲事件焦點，關聯到另兩案的處理思路。美國插手的三個案件，石川的情節並不複雜，卻牽扯更深。除了中美關係外，還捲入了朝廷內部的傾軋。而李鴻章也確有難言之隱，因泄密的軍械局，其總辦正是李鴻章的外甥張士珩。
在沉默了12天后，李鴻章於8月15日向總理衙門正式報告石川一案，但稱仍在審訊中。
至此，石川一案已經與前線軍情、中美外交及中國內政瓜蔓相連，日本人也知道其已無生望。
不了了之的結局
石川伍一案件迅速引起光緒皇帝的親自關注。8月28日，軍機處轉達諭旨，要求李鴻章徹查此案。次日，美國外交機構直接插手，其駐天津領事根據駐華公使田貝指令，發函李鴻章，要求將石川釋放回日本，理由是“日本聲稱此人並非間諜”。
李鴻章命天津海關道盛宣懷與美方交涉。盛宣懷在發給美國領事的回函中，對美國的要求進行了有理有據有節的嚴辭駁斥：“本道查《中日修好條規》載明，兩國商民，均不準改換衣冠。是兩國和好，尚然有此禁例。現在兩國失和，忽然改裝易服，潛匿民家，四出窺探，其意何居？況日本領事出口之後，日本人之在中國口岸者，已由貴國兼理。該犯石川儘可安寓租界洋行，何以假冒華人，私至城內居住……至該犯被獲之時，形跡可疑之處，不一而足，其爲間諜無疑……石川一犯自應由中國官弁密訪確情，徹底根究，未便遽行開釋。”9月1日，光緒皇帝再度向李鴻章發出密諭，要求他“嚴行審訊，如究出探聽軍情等確據，即行正法……不得稍涉寬縱。”
朝廷堅定了徹查此案的決心，天津的辦案取得了明顯進展。9月17日，李鴻章向總理衙門提交了結案報告：“前獲倭人石川伍一，飭縣屢訊，供詞狡展。須將奸細確證予以死罪，始無礙在倭華民。八月初四日(9月3日)，飭津海關道盛宣懷嚴密根究，傳到崔姓等，曾在倭武員處服役。人證確鑿，即提石川伍一，與已革書吏劉棻質訊，無可狡辯，始均供認：前駐津之倭海軍武員井上敏夫等曾囑石川伍一轉託劉棻，私抄中國海軍炮兵數清單，給過謝禮。宣戰後，倭員回國，留探軍情，改裝華服，以七月初四日(8月4日)潛行至劉棻家藏匿，當日即被軍械局會同官弁獲住等語。嚴訊王大，並無知情同謀。初九日(9月8日)，奉電旨，複審石川伍一等，供均如前……石川伍一擬按公法，用槍斃擊斃;劉棻即行正法”。
9月20日，石川伍一及劉棻在天津被處決，轟動全國，報章均有報道。《字林滬報》報道稱觀者如潮，行刑後“但聞一片聲叫好不絕”。當日，李鴻章將該案所有案卷包括兩人的供詞等呈交總理衙門。10月8日及27日，美國干預的另兩起日本間諜案的主犯，也分別在南京和杭州被處決。
在甲午戰爭期間被捕的所有日本間諜中，最先被處決的石川伍一是唯一執行槍決的，其餘均被斬首，或許這與李鴻章希望給美國留點面子有關。但當時外界謠傳石川伍一被處最殘酷的凌遲，在華間諜首腦宗方小太郎日記中記載道：“被拘禁於天津之同志石川伍一於九月二十日在天津城西門外被處磔刑，軍械局之劉某亦同時被斬首雲。不堪痛恨惋惜之至！”與石川相關的高升號事件，折騰十年後以中國賠償船費而告終;另一重慶號事件，由大沽炮臺以二十一響禮炮的最隆重軍禮向重慶號道歉而結束;美國國會則因政府在間諜案處理過程中對中國的“過分軟弱”，而險些啓動彈劾案。
至於江南道監察御史張仲炘因此案借題發揮，在彈章上奏的次日，軍機處便拿出了處理意見，除了需對張士珩涉嫌採辦軍械時以劣充好查證外，其餘各項指控，“皆系影響之詞，曖昧之事，礙難查辦。”張士珩最後以玩忽防務而被革職。
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