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派遣伏波将军路博德出兵桂阳，顺湟水而下；楼船将军杨仆出豫章，顺浈水而下；归义越侯严任戈船将军，出零陵，顺离水而下；甲为下濑将军，从苍梧出发。诸将均率罪人，江淮以南楼船水兵十几万人。越人驰义侯遗另外统率巴、蜀罪人，征发夜郎兵，顺牂柯江而下，各路大军在番禺会齐。
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九月，列侯在宗庙祭祀时因献黄金酎祭成色分量不合规定而犯法被削爵位的有一百零六人，丞相赵周入狱自杀。乐通侯栾大因谎言欺骗被揽腰处死。
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西羌族十万之众反汉朝，与匈奴联络，攻击故安，包围枹县。匈奴侵入五原，杀死太守。
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六年冬十月，征发陇西、天水、安定各郡县骑兵及中尉，河南、河内兵卒十万人，派遣将军李息、郎中令徐自为征讨西羌反叛，被平息。
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巡行东方，将要驾临缑氏县，到左邑桐乡时，听说南越兵败，改左邑县为闻嘉县。春，到汲县中乡时，斩获吕嘉人头，改汲县为获嘉县。驰义侯遗所率军未及出发，武帝便命令去征讨西南地区少数民族，骚乱被平息。于是划定南越地区区域，设置南海、苍梧、郁林、合浦、交趾、九真、日南、珠崖、儋耳九郡。划定西南区域，设置武都、牂柯、越嶲、沈黎、文山五郡。
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秋，东越王余善反叛，攻杀汉朝军官和官吏。汉朝派遣横海将军韩说、中尉王温舒出兵会稽，楼船将军杨仆出兵豫章，攻击东越。又派浮沮将军公孙贺出兵九原，匈河将军赵破奴出兵令居，距离都长达二千余里，没有遇见匈奴兵而返回。于是分出武威、酒泉地另置张掖、敦煌郡，迁徙百姓前去充实边防。
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元封元年冬十月，下诏说：“南越、东瓯都辜负了汉朝，西部、北部各民族尚未和睦，朕将要巡行边防，整编军队振奋士气，亲自掌握统军号令，设立十二方面将军、亲临前线统帅军队。”巡行从云阳开始，北经上郡、西河、五原，出长城，北面登上单于台，到朔方和北河岸边。检阅骑兵十八万骑，旌旗长达千余里，威震匈奴。派遣使者告诉单于说：“南赵王人头已经挂在汉朝北门。单于敢应战，天子亲自率军在边界等待；不能应战，速来臣服汉朝。为什么只是躲藏在幕北寒苦之地呢！”匈奴畏惧起来。武帝返回，在桥山祭祀黄帝，然后回到甘泉。
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东越人杀其王余善降汉。下诏说：“东越地形险阻而其王反复无常，成为后世祸患，应迁徙其民至江淮地区。”于是东越地区便无人居住。
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春正月，驾临缑氏。下诏说：“朕祭祀华山，又到中岳，猎駮麃兽，见到夏启母之化身石。次日亲身登上嵩高山，护车随从的御史，在庙旁官吏、兵座都听到三声呼喊万岁的声音。登山祭祀的礼仪没有不回答的。应让祭祀官修缮加固太室词，禁止砍伐山上草木。用山下三百户的赋税作为祭祀费用，命名为嵩高邑，专供祭祀，免除其徭役及其他杂务。”起驾后，便向东巡行海上。
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夏四月癸卯，武帝返回，上山祭祀泰山，下山坐于明堂朝见大臣。下诏说：“朕以微小身躯承担尊贵的帝位，每日都担心的是恩德浅薄，对礼乐制度不够明了，因此祭祀天地恭请八方之神。遇到了天地神灵的恩赐，显现出神灵景象，倏然听到呼喊万岁之声。被怪物震慑，欲制止又不敢轻动，于是登上泰山祭祀天神，下至梁父山祭祀地神，然后又上萧然山祭祀。从此有了新的起点，鼓励士大夫也去旧更新，应以十月为元封元年。巡行所到之处，博县、奉高县、蛇丘县、历城县、梁父县，百姓的田租、借贷之官物、赋税，都已免除。增加赏赐年七十岁以上的孤独者帛，每人二匹。四个县不交今年的人口税。赐天下百姓爵位一极，受爵者之妻以百户计算赏宰食牛一头、酒若干斗。”
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从泰山出行，又向东巡行海上，到碣石。从辽西经北边九原郡，回到甘泉宫。
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秋，彗星施向东井星，又施向三台星。
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齐王刘闳去世。
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二年冬十月，驾临雍县，祭祀五帝。春驾临缑氏县，又到东莱。夏四月，返回祭祀泰山。到瓠子堤，正遇黄河决口，命令随从大臣将军以下都背柴填塞河堤，作《瓠子之歌》。赦免经过地之罪犯，赐孤独年高者米，每人四石。返回后，建造甘泉宫的通天台、长安的飞廉馆。
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朝鲜王攻杀辽东都尉，于是招募天下死刑罪犯去攻打朝鲜。
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六月，下诏说：“甘泉宫内室生长出灵芝，九茎叶与叶相连。上方天帝博施恩德，连下房内室也降临恩泽，赐朕宏大美好之物。应赦天下，赏赐云阳都每百户宰食牛一头，酒若干斗。”作《芝房之歌》。
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秋，建造明堂于泰山之下。
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派遣楼船将军杨仆、左将荀彘将军应幕罪人攻打朝鲜。又派遣将军郭昌、中郎将卫广征发巴、蜀兵镇压西南少数民族地区继续骚乱的人，设置益州郡。
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三年春，表演杂技乐戏，三百里内的人都来观看。
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夏，朝鲜人杀其王右渠降汉，在其地设立乐浪、临屯、玄菟、真番郡。
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楼船将军杨仆因作战伤亡太重而触犯军法，被免职沦为平民，左将军荀彘因争功犯罪在街头处死。
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秋七月，胶西王刘端去世。
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武都氐族人反汉，把这些人分批迁徙到酒泉郡。
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四年冬十月，驾临雍县，祭祀五帝。经过回中通道，于是从萧关北面出发，经独鹿、鸣泽，从代郡返回，驾临河东。春三月，祭土地神。下诏说：“朕亲自祭后土地神，看见灵光出现在灵坛，一夜三照。驾临中都宫，殿上出现光。应赦汾阴、夏阳、中都等县的死罪及以下罪犯，赐三县及杨氏县都免交今年租赋。”
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秋，由于匈奴势力削弱，应及时使其臣服汉朝，于是便派使臣前去说降。单于派使臣来京，死于京师。匈奴偷袭边地，派拔胡将军郭昌驻屯朔方。