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忽必烈此后再也没有回到蒙古人的首都——哈尔和林，而是折返中国，回到被誉为人间仙境的花园之城——上都。由于宋朝在忽必烈讨伐阿里不哥期间违反了双方签订的停战协定，所以忽必烈返回中国后便发动了对宋朝的新一轮进攻。这番作战，忽必烈又在传统蒙古人作战策略的基础上制定了一条新战法：由于之前蒙古军队在攻破那些顽强抵抗的城池后进行了残忍地劫掠和屠城，这一做法广为人知，他充分利用汉人对于蒙古人战争方法的熟悉和了解，主动提出如果各地能够投降蒙古，蒙古人必将与汉人和平相处。忽必烈的保证，加上他对难民的善待，赢得了汉人的信任。1276年，年仅7岁的宋朝皇帝归顺蒙古。此后忽必烈继续征讨散落在中国东南部的宋朝残余势力，并攻下广州，对最后的抵抗者发起海上打击。然而，事实上在宋朝皇帝投降蒙古的那一刻之前，忽必烈就已经取得了对宋朝战争的胜利。