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日本侵占东北之后，为进一步侵略中国，进攻苏联，开始加强关于冬季和严寒地区毒瓦斯的研究和试验。为此，日本军部专门抽调化学战军官进入关东军，开展这项工作。据日本《陆军习志野学校史》记载：“1933年末以来，一直有一名习志野学校的军官在关东军司令部任职，他的任务一是负责关东军各部队的化学战实施及研究，一是负责习志野学校在中国东北的化学战研究与试验。日本发动全面侵华战争以后，进一步加强了在东北进行化学战的研究和准备。”1937年8月，为在中国东北试验兵器，以陆军技术本部及陆军科学研究所派驻关东军的常驻军人为骨干，在齐齐哈尔设立了关东军技术部。有关化学战的研究、试验等事务归新设立的关东军技术部化学兵器班，而有关教育、训练的事务仍旧由司令部（参谋部第三课）担任。步平主编《化学战》，第136～137页。
1939年5月11日，化学兵器班作为化学部（代号516）而独立出来。第一任部长由技术部部长小野行守兼任。化学部的任务与中央的科学研究所的任务大体相当，即化学战的运用，化学、医学、兽医学方面的研究及气象的研究等领域。在这之后技术部迁移到新京（长春），化学部占了原技术部的全部土地与建筑。化学部同毗邻的迫击第2联队（1938年5月设立，部队代号525）共同成为化学战研究的中心。
1942年10月左右，由一个毒气大队和一个迫击大队组成的部队作为化学部的练习队。于是，历来是协作关系的实战部队成为隶属于化学部的部队，关东军化学部成为名副其实的化学研究的一大中心。
关东军化学部是隶属于关东军的重要部队，在关东军的勤务令中，有专门关于该化学部的一节，内容为：
“第94，关东军化学部长隶属于关东军司令官，负责向关东军提供化学战的准备，进行化学战的资材的调查、研究、试验。
第95，关东军化学部为执行上述任务，在得到关东军司令部允许后可指挥迫击联队长、特种汽车队长，同关东军气象队长及其他队长协商后，亦可使用其部队。”步平主编《化学战》，第136页。
同时，在日本陆军化学部队中，关东军化学部的地位远较其他的化学部或化学实验重要，它虽然隶属于关东军，但实际上是日本陆军化学战研究、训练机构在中国的支部。该部队的250名成员大部分是技术军官，曾在日本习志野学校培训过。516部队共设5个课，即总务课，负责以下各课的统筹工作；第一课，负责毒气探测和毒物合成；第二课，负责毒气防护研究；第三课，负责毒气治疗研究；第四课，负责化学剂研究。1939年，516部队在佳木斯建立了一座挂有“三井花园”牌子的秘密研究所——“三岛理化研究所”（因该研究所由日本人大岛和福岛掌管，受伪三江省警务厅特务科长兼三江地方局理事官岛村三郎所辖，故名“三岛”）该所表面上是在进行“科学研究”，实际上从事毒剂、细菌实验等不可告人的勾当，并为516、731部队提供实验对象，是关东军进行细菌战和化学战的重要基地和秘密监狱。
除516部队之外，关东军指挥的化学战部队还有：
迫击第2联队（满洲第525部队），该联队于1938年5月在齐齐哈尔组建，是日本陆军第一支迫击联队，也是关东军化学部队的骨干力量。曾参加了诺门坎战争。1941年“关特演”时，迫击第2联队改编为迫击第10大队，该部队一直与516部队关系密切，是关东军化学部的重要实施部队。
迫击第10大队（满洲第526部队），1941年由迫击第2联队改编，当时关东军为准备对苏战争，便以第10大队为母体组建新的化学部队。到1942年10月，由于派出人员过多，余下部队与特种车第1联队合编组成关东军化学部练习队。
以上部队是长期与关东军化学部协作密切的化学部队。
此外，迫击第11～14大队，都是以第10大队人员为骨干在东北编成隶属于关东军的。后随战局变化陆续调往南洋和日本。这些部队也在关东军的指挥下进行了化学战实验和训练。步平主编《化学战》，第123～129页。
二关东军的化学战实验及实战
对于516部队所进行的罪恶活动，在过去很长一段时间内一直是个谜。直到几十年后，曾在516部队服过兵役的高桥正治和若生重作才走出战争的阴影向世人揭露了这个部队的秘密。据他们回忆，516部队不仅对外严格保密，而且内部各部门之间也不能随意往来，而且每个加入这支部队的人都必须接受法西斯式的特殊训练，不仅通过教材了解各种毒气的外形特点，化学性质，还要亲身体验毒气。有一次在讲堂上，军曹滕川及助手当场将毒气释放出来，队员们没有人敢动。当10多分钟后门被打开时，讲堂内的人已被毒气呛得拼命咳嗽，头昏脑胀，眼泪、鼻涕横流，好不容易喘过气来，只听军曹和助手大声喝道：“好好记住，这就是毒气！”《东北沦陷史研究》1999年第2期，第54页。
化学武器是进行化学战的物质基础，日本陆军研制的进攻性化学武器（包括化学毒剂）大致可以分为14类，百余种。其中被制式化的化学毒剂达9种之多。从时效性上看，可以分为一时性毒气和持久性毒气。日本在侵华战争期间，使用大量化学武器，造成中国军民伤亡8万多人。这中间，关东军化学部队也是重要的实施者。
由关东军516部队生产的毒气制品有：芥子气（黄色1号）、路易氏气（黄色2号）、氰酸（茶色毒气）、碳酰氯肟（青色毒气）、联苯氰基胂（赤色毒气）。芥子气是一种糜烂性的毒瓦斯，路易氏气属于速效性糜烂毒瓦斯，氰酸是窒息性毒瓦斯，碳酰氯肟和联苯氰基胂都属于刺激性毒瓦斯。516部队研制的这些种类的毒瓦斯，除了直接做成毒气弹外，还把它装进迫击炮弹内。这些毒气弹，首先由与其毗邻的满洲第525部队（即关东军迫击第2联队）使用。
516部队在其驻地南约600米处设有大型地下仓库，贮藏着各类毒气弹20万发。这些毒气弹除了供应关东军和华北、华中、华南派遣军外，日本侵略军攻打菲律宾和在冲绳同美军作战时也都秘密使用过。
关东军进行化学战的主要方式有：撒播实验、活人实验、化学战演习，以及化学战实战等。
撒播实验，有的是通过演习方式进行，有的直接撒播在东北的村庄、道路、河川等，以观察效果。据曾在关东军化学部队服役的渡边国义，飞松五男、齐滕美夫等战犯供述，这种化学战实验曾在相当长的时间和广泛的地区进行。以下参见《细菌战与毒气战》第440～445页；《日军罪行录：吉林分卷》第318～320页。
1940年5月，在辽宁新民县辽河左堤防附近，日军对奉天甲种干部候补生进行瓦斯教育时，队长南部让吉少将命令关东军化学部用轻型坦克牵引散毒车，在长200米、宽400米的地域内散布持久瓦斯。结果，由于瓦斯蔓延，毒死了100多只羊，并使48万平方米的土地染上液状瓦斯，使这块牧地1年内不能使用，同时还毒杀了2名中国人。同年5月下旬至6月下旬，关东军化学部在伪兴安北省海拉尔日军飞机场两公里草原及村庄道路上秘密散布了面积2000平方米，毒量100公斤，杀伤效力1000名，毒气有效时间1星期的黄剂（糜烂性持久瓦斯），还在小河里放了附在放毒工具上的瓦斯5公斤，结果有6名中国农民通过放毒地区时，由于身体中毒腐蚀而死。7月中旬，关东军化学部于黑龙江省富拉尔基东4公里通向中国人村庄的道路和草地上散布了面积2000平方米，毒量100公斤，杀伤效力1000名，毒气有效时间1星期的糜烂性持久瓦斯，结果有5名中国农民通过散毒地区时中毒后身体受腐蚀而惨死，另有25名中国男女农民的手脚被毒瓦斯伤害。1944年8月，还是在这一地区，进行了同样的试验，毒死5名中国人，10人受到毒瓦斯腐蚀。从1942年5月下旬至1943年9月上旬，在伪兴安西省扎兰屯周围山地，关东军化学部练习队先后4次试验糜烂性毒瓦斯效力，共毒死10名中国农民，140名中国百姓手脚受到不同程度的瓦斯腐蚀伤害。1943年7月下旬至8月上旬，关东军化学部练习队在伪兴安西省碾子山东3公里山地施放了糜烂性持久瓦斯，毒