迄今为止，人类工业化发展的过程，也就是通过燃烧化石能源获取其中储备的太阳能后，重新将CO?返还到大气碳循环系统中的过程，在这一过程中，不仅创造出了伟大的工业文明成果，造就了我们今天的生活模式，而且为地球生物的再次繁荣与实现能源的可持续发展创造了重要的物质基础碳。
本书从地质学、古生物学、古气候学等多个领域探索了大气中CO?与植被互为消长的规律及聚煤期与贫煤期的周期性；从光合作用机理、基因工程学的角度出发，研究了在未来大气CO?浓度快速增加的情况下，生物增长的速度、规模以及与人类相关的生态发展趋势：生物能源成本将低于化石能源并全面替代化石能源；农业将回归第一大产业；水利与沙漠改造工程、能源种植园将替代房地产与交通运输业，成为最大的基础产业；目前正在高歌猛进的许多新兴产业将再次面临淘汰；光合作用效率、湿度、降雨、可耕种面积将快速增加，沙漠面积将快速退化；粮食产量将逐年屡创新高。
常毅军，山西省清洁能源产业协会会长，汾渭数字信息技术有限公司董事长。高级工程师。多年致力于中国能源行业可持续发展的研究与实践：1982年毕业于山西矿业学院煤田地质勘探专业，1999年创建中国煤炭行业第一个信息平台中国煤炭资源网，2006年研发出中国煤炭行业的第一个价格指数，2007年在煤炭行业首次推出现货交易电子市场，拥有多项煤炭清洁利用的发明专利，出版十几本能源类书籍，发表论文多篇。
杨婷，山西省清洁能源产业协会副秘书长，汾渭数字信息技术有限公司董事长助理。山西大学汉语言文学、教育学双学士，编辑。多次参与汾渭公司系列丛书的编写出版工作，组织并作为主要执笔人编写的《新能源与第四次产业革命》获中国石油和化学工业联合会颁发的优秀出版物二等奖。
邓丰收，山西省清洁能源产业协会常务副会长兼秘书长，多年主要从事科学技术的推广工作；先后创建山西省太阳能协会和山西省清洁能源产业协会，在此期间组织编写《山西省光伏发电检测规范》《山西省太阳能建筑一体化》《低环境空气能安全运行管理规范》等三部地方标准。
第一章 CO2、碳基生命与气候循环
第一节 CO2浓度与植物的发展 2
一、原核生物的光合作用与氧气的产生 2
二、海洋生物发展阶段的地球环境 4
三、陆生植物繁衍阶段的CO2浓度 5
四、CO2浓度的波动降低与聚煤作用的逐渐减弱 7
第二节 地球植物与气候的关系 13
一、气候及碳循环模型的建立 13
二、温室效应与地球生态 16
三、太阳活动对地球生态环境的影响 18
四、光合作用在储能和平抑太阳能方面的作用 20
第三节 从太原石炭二叠系地质剖面看地球的气候周期 25
一、石炭纪陆地生物大爆发 26
二、石炭纪森林崩溃 27
三、二叠纪冰期 28
四、二叠纪生物大灭绝 29
五、二叠纪末期与三叠纪早期的赤地千里 29
第四节 从地球历史的角度看今天的气候变化 31
一、人类时代在地球气候循环过程中的阶段分析 31
二、第四纪黄土的形成与后冰期时代 33
三、地球气候正进入温暖期 35
四、变暖、变湿、CO2上升一个新的环境正在形成 36
第二章 只要太阳依然存在，地球能源永不枯竭
第一节 太阳与地球的太阳能 46
一、太阳质量与核反应能量 46
二、太阳的年龄与寿命 47
三、进入地球的太阳能量与分布 48
四、进入地球的太阳能的储存与保留状况 51
第二节 化石能源是地球历史上太阳能的储备 52
一、所有的化石能源均来源于光合作用 52
二、生物发展过程伴随化石能源的形成过程 53
三、不同的生物环境形成了不同的化石能源品种 55
四、生物掩埋过程与化石能源的形成 57
第三节 可再生能源是太阳和太阳能作用的结果 60
一、关于地球能源的分类与评价 60
二、风能与大气环流 61
三、水能与水循环 62
四、浅层地热能 63
五、潮汐能 64
六、光伏能与生物质能 65
第四节 光合作用是收集、储存太阳能的最佳途径 65
一、生物能源发电与太阳能发电的比较 66
二、生物能源发电与风能发电的比较 69
三、生物能源与水能的比较 71
四、生物质生产与化石能源再开采的经济比较 72
第三章 岩石圈、生物圈和大气圈的碳平衡
第一节 岩石圈、生物圈、大气圈的碳总量及循环模式 78
一、岩石圈、生物圈与大气圈的碳总量 78
二、岩石圈与大气圈的碳循环模式 79
三、生物圈与大气圈的碳循环模式 80
四、碳循环与新一轮生态发展的开始 83
第二节 在地球碳循环过程中找到一个新的平衡点 84
一、地质历史上新生代及当代碳循环模型的建立 84
二、无碳排放政策干预条件下的情景分析 86
三、满足《联合国气候变化框架公约》下的情景分析 86
四、本模型下新的平衡点 87
第三节 地球大气的碳平衡 88
一、化石能源的燃烧CO2的正调节机制 88
二、生物质与农业能源CO2的负调节机制 89
三、碳平衡的调节与生态环境的优化 89
第四章 生物技术的突破与生物能源主导未来
第一节 基因工程技术发展与光合作用效率的提高 94
一、通过改变C3与C4植物的基因提高光合作用效率 95
二、通过延缓叶片衰老来提高光合作用效率 98
三、通过提高氮素利用率进而提高光合作用效率 98
四、通过修饰植株株型提高光合作用效率 99
五、通过提高水分利用率提高光合作用效率 100
第二节 生物能源原料的改良与发展 101
一、对淀粉和糖类作物的改良 101
二、对纤维素类植物的改良 102
三、对油脂类能源植物的改良 105
四、对藻类能源植物的改良 107
第三节 当生物质主导人类能源需求时 110
一、生物能源替代化石能源的必然性 110
二、光合速率与最佳CO2浓度 112
三、满足人类能量消耗的生物质再生能力评估 113
四、绿色地球与人类生存环境的根本改善 118
第五章 化石能源与生物能源的互补性
第一节 化石能源是生物能源发展的必要支持 124
一、化石能源改变了人类的生存方式 124
二、化石能源释放了深埋地下的碳元素 129
三、生物能源成为主导能源尚需一个发展过程 130
四、化石能源为生物能源应用提供了基础设施与保障 133
第二节 化石能源与过渡期的能源保障 134
一、各种化石能源的探明储量与生产情况 134
二、煤炭是可持续发挥作用的化石能源 138
第三节 化石能源与清洁技术的推广 140
一、化石能源规模化应用尚有空间与时间 140
二、化石能源应用的最大阻碍是污染问题 141
三、化石能源清洁应用技术的发展 143
四、提前布局生物能源农业，全面推动生物质碳汇工程 147
第四节 煤炭的未来精准应用与焦化干馏 148
一、煤炭将进入辅助能源和原料时代 148
二、煤的研究不断深入，焦化干馏已扩展到除褐煤外的所有煤种 149
三、焦化干馏产品的多样化 155
四、焦化干馏产业链发展的新趋势 156
五、生物质燃料油焦化厂的设想 159
第六章 蓄势待发的生物能源产业
第一节 碳环境驱动下的能源农业 164
一、农业与生物能源的概念 164
二、生物质的基本成分与结构 165
三、决定生物能源未来的关键CO2、阳光和降水 167
四、贫碳环境下的农业与可耕种土地 168
五、富碳环境下的能源农业 169
六、能源农业的产品分类 173
第二节 再生速度大于开采速度瑞典的林业生物能源 180
一、坚定的政策支持推动瑞典生物能源产业快速发展 180
二、森林资源在利用中才能得到保护和增长 181
三、生物质颗粒燃料产业大放异彩 183
第三节 生物燃料大于化石燃料巴西生物液体燃料的发展 184
一、巴西生物乙醇燃料的推广 185
二、政府对生物柴油产业的支持 187
三、生产生物燃料的原料与成本 188
四、巴西生物能源的展望 190
第四节 可再生的天然气持续快速发展的德国沼气工业 191
一、德国沼气产业快速发展 192
二、沼气提纯替代天然气技术先进 193
三、德国沼气工程的特色 195
四、专用能源作物产沼气的潜力 196
第五节 混合发电美国生物质发电的研究与推广 197
一、生物质发电的规模与应用 198
二、生物质与煤混合燃烧的应用推广 199
三、美国生物质发电技术和主要发电厂 200
第六节 生物能源种植园 202
一、以色列沙漠种植园 202
二、日本生物原料工业园的建设成果 204
三、石油植物园 206
第七章 即将来临的生物能源产业革命
第一节 能源与产业革命 214
一、产业革命的定义与特征 214
二、能源转型是产业革命的原动力 215
三、生物能源产业革命的临界点 218
四、碳汇与生物能全面推动第三次能源产业革命 222
第二节 水利与灌溉工程将成为最大的基础产业 222
一、重新定义水利与灌溉工程 222
二、生物技术将相同耗水量下的生物质产量成倍提高 223
三、节水灌溉技术对水资源应用效率与经济性的影响 223
四、水利与灌溉工程将成为最大的基础产业 226
第三节 农业革命与社会财富的再分配 228
一、基因工程推动下的生物能源 229
二、现有草原、森林的升级换代 232
三、向沙漠进军 234
四、农业重新回归第一大经济产业 237
第四节 生物能源支持下的新型工业体系 241
一、能源体系的变革 241
二、化工与原材料 246
三、生物质建筑材料与应用 246
四、新型工业体系的建立 248
第八章 生物能源产业革命推动下的新生态
第一节 化石能源及其工业体系的衰败 254
一、化石能源工业体系的困境 254
二、能源巨头的最后风光 254
三、耗尽资源的中心城市 255
四、一个新的能源保障系统正在形成 256
第二节 生物能源的崛起与第三次产业革命的水到渠成 259
一、即将爆发的第三次产业革命 259
二、软着陆还是硬着陆 260
三、巨大的农业人口与就地产业化 261
四、中国将全面推动并引领第三次能源产业革命 262
第三节 可持续发展的地球美好家园 264
一、共识 264
二、困境 265
三、碳交易助推生物能源 268
四、中国承诺 270
五、地球美好家园 271
CONTENTS
Chapter ⅠCO2, Carbon-based Life and Climate Cycle
1.1CO2 Concentration and Plant Development 2
1.1.1Photosynthesis in Prokaryotes and Oxygen Production 2
1.1.2The Earths Environment during Marine Life Evolution Stages 4
1.1.3Atmospheric CO2 Levels during Terrestrial Plant Proliferation 5
1.1.4Decreasing CO2 Fluctuations and Diminishing Coal Accumulation 7
1.2The Earths Plants and Climate 13
1.2.1Establishment of Climate and Carbon Cycle Model 13
1.2.2Greenhouse Effect and the Earths Ecosystem 16
1.2.3Solar Activity Impact on the Earths Ecological Environment 18
1.2.4Photosynthesis in Energy Storage and Solar Variability 20
1.3The Earths Climate Cycles from Taiyuan Permian-Triassic Geological Section 25
1.3.1Carboniferous Terrestrial Life Explosion 26
1.3.2Collapse of Carboniferous Forests 27
1.3.3Permian Ice Age 28
1.3.4Permian Mass Extinction 29
1.3.5Arid Landscape in Late Permian and Early Triassic 29
1.4Climate Change from Perspective of the Earths History 31
1.4.1Anthropocene in the Earths Climate Cycles 31
1.4.2Formation of Loess in Quaternary and Post-Glacial Era 33
1.4.3The Earths Climate is Transitioning into a Warm Period 35
1.4.4Warming, Moistening, and Rising CO2Emergence of a New
Environment 36
Chapter ⅡEnergy of the Earth Endless as Long as the Sun Exists
2.1The Sun and Solar Energy on the Earth 46
2.1.1Solar Mass and Nuclear Reaction Energy 46
2.1.2The Suns Age and Lifespan 47
2.1.3Solar Energy Entering the Earth and Its Distribution 48
2.1.4Storage and Preservation of Solar Energy Entering the Earth 51
2.2Fossil Energy is Solar Energy Reserved in the History of the Earth 52
2.2.1All Fossil Energy Comes from Photosynthesis 52
2.2.2Formation of Fossil Fuels Alongside Biological Development 53
2.2.3Different Environments Result in Different Varieties of Fossil Fuel 55
2.2.4Biological Burial and Formation of Fossil Energy 57
2.3Renewable Energy, the Result of the Sun and Solar Energy Action 60
2.3.1Classification and Evaluation of the Earths Energy 60
2.3.2Wind Energy and Atmospheric Circulation 61
2.3.3Hydropower and Water Cycle 62
2.3.4Shallow Geothermal Energy 63
2.3.5Tidal Energy 64
2.3.6Photovoltaic Energy and Biomass Energy 65
2.4Photosynthesis, the Best Way to Collect and Store Solar Energy 65
2.4.1Comparison of Bioenergy Generation and Solar Energy Generation 66
2.4.2Comparison of Bioenergy Generation and Wind Energy Generation 69
2.4.3Comparison of Bioenergy and Hydropower 71
2.4.4Economics of Biomass Production and Re-exploitation of Fossil Fuels 72
Chapter ⅢCarbon Balance in Lithosphere, Biosphere and Atmosphere
3.1Total Carbon and Cycling Patterns in Lithosphere, Biosphere and
Atmosphere 78
3.1.1Total Carbon in Lithosphere, Biosphere and Atmosphere 78
3.1.2Carbon Cycle Patterns in Lithosphere and Atmosphere 79
3.1.3Carbon Cycle Patterns in Biosphere and Atmosphere 80
3.1.4Carbon Cycle and Onset of a New Phase of Ecological Development 83
3.2Identify a New Balance Point in the Earths Carbon Cycle 84
3.2.1Establishment of Carbon Cycle Model for Cenozoic and Contemporary
Geological History 84
3.2.2Scenario Analysis under Zero Carbon Emission Policy Intervention 86
3.2.3Scenario Analysis Compliance with UNFCCC Protocol 86
3.2.4New Balance Point under this Model 87
3.3Carbon Balance of the Earths Atmosphere 88
3.3.1Fossil Fuel CombustionPositive Regulation Mechanism of CO2 88
3.3.2Biomass and Agricultural EnergyNegative Regulation Mechanism
of CO2 89
3.3.3Carbon Balance Regulation and Eco-Environment Optimization 89
Chapter ⅣBiotechnology Breakthroughs and Bioenergy will Dominate the Future
4.1Development of Genetic Engineering and Improvement of Photosynthesis
Efficiency 94
4.1.1Enhancing Photosynthesis Efficiency by Modifying Genes in C3 and C4
Plants 95
4.1.2Enhancing Photosynthesis Efficiency by Delaying Leaf Senescence 98
4.1.3Enhancing Photosynthesis Efficiency by Improving Nitrogen Utilization 98
4.1.4Enhancing Photosynthesis Efficiency by Modifying Plant Morphology 99
4.1.5Enhancing Photosynthesis Efficiency by Increasing Water Use
Efficiency 100
4.2Improvement and Development of Bioenergy Raw Materials 101
4.2.1Genetic Modification of Starch and Sugar Crops 101
4.2.2Genetic Modification of Cellulosic Plants 102
4.2.3Genetic Modification of Oleaginous Energy Plants 105
4.2.4Genetic Modification of Algae Energy Plants 107
4.3When Biomass Dominates Human Energy Needs 110
4.3.1Necessity of Bioenergy to Replace Fossil Fuels 110
4.3.2Photosynthetic Rate and Optimal CO2 Level 112
4.3.3Assessment of Biomass Regenerative Capacity to Meet Human Energy Consumption 113
4.3.4Fundamental Improvement of the Green Earth and Human Habitat 118
Chapter ⅤComplementarity of Fossil Fuels and Bioenergy
5.1Fossil Fuels as Essential Footstone for Bioenergy Development 124
5.1.1Fossil Fuels Transforms the Way Humans Live 124
5.1.2Fossil Fuels Unleashes Carbon Buried Underground 129
5.1.3Bioenergy Takes Time to Develop before Becoming Dominant Energy Source 130
5.1.4Fossil Fuels Provided Infrastructure and Support for Application of Bioenergy 133
5.2Fossil Fuels and Energy Security during Transition 134
5.2.1Proven Reserves and Production of Various Fossil Fuels 134
5.2.2Coal is a Sustainable Fossil Energy Source 138
5.3Promotion of Fossil Fuels alongside Clean Technologies 140
5.3.1Space and Time Still Exist for Large-Scale Application of Fossil Fuels 140
5.3.2Pollution is the Biggest Obstacle for the Application of Fossil Fuels 141
5.3.3Development of Clean Application Technologies for Fossil Fuels 143
5.3.4Early Layout of Bioenergy Agriculture and Fully Promote Biomass Carbon Sink Projects 147
5.4The Future of CoalPrecise Applications and Coking Dry Distillation 148
5.4.1Coal Will Enter the Auxiliary Energy and Raw Material Era 148
5.4.2The Research on Coal Continues to Deepen and Coking Dry Distillation Has Expanded to All Coal Types Except for Lignite 149
5.4.3Diversification of Coking Dry Distillation Products 155
5.4.4New Trends in Development of Coking Dry Distillation Industry Chain 156
5.4.5Envision of Biomass Fuel Oil Coking Plant 159
Chapter ⅥThe Emerging Bioenergy Industry
6.1Energy Agriculture Driven by Carbon Environment 164
6.1.1The Concept of Agriculture and Biomass Energy 164
6.1.2Basic Components and Structure of Biomass 165
6.1.3Key Factors Determining the Future of BioenergyCO2, Sunlight, and
Precipitation 167
6.1.4Agriculture and Arable Land in Carbon-Poor Environment 168
6.1.5Energy Agriculture in Carbon-Rich Environment 169
6.1.6Classification of Energy Agriculture Products 173
6.2Regeneration Speed Exceeding Extraction SpeedSwedens Forestry Bioenergy 180
6.2.1Strong Policy Support Driving Rapid Development of Swedens Bioenergy Industry 180
6.2.2Protection and Growth of Forest Resources Through Utilization 181
6.2.3Flourishing Industry of Biomass Pellet Fuels 183
6.3Biofuel Surpassing Fossil FuelsDevelopment of Brazils Bio-Liquid Fuel 184
6.3.1Promotion of Bioethanol Fuel in Brazil 185
6.3.2Government Support for the Biodiesel Industry 187
6.3.3Raw Materials and Costs for Biofuel Production 188
6.3.4Prospects for Brazils Biomass Energy 190
6.4Renewable Natural GasSustained Rapid Development of Germanys Biogas Industry 191
6.4.1Rapid Development of Germanys Biogas Industry 192
6.4.2Advanced Technology for Purifying Biogas to Replace Natural Gas 193
6.4.3Characteristics of Germanys Biogas Projects 195
6.4.4Potential of Dedicated Energy Crop Production for Biogas 196
6.5Hybrid Power GenerationResearch and Promotion of Biomass Power in the U.S. 197
6.5.1Scale and Current Status of Biomass Power Generation 198
6.5.2Promotion of Biomass and Coal Co-fired Power Generation 199
6.5.3Biomass Power Generation Technologies and Major Power Plants
in U.S. 200
6.6Bioenergy Plantations 202
6.6.1Desert Plantations in Israel 202
6.6.2Achievements of Japans Biomass Industrial Park 204
6.6.3Petroleum Botanical Garden 206
Chapter ⅦImpending Revolution in Bioenergy Industry
7.1Energy and Industrial Revolution 214
7.1.1Definition and Characteristics of Industrial Revolution 214
7.1.2Energy Transformation is the Driving Force behind Industrial
Revolutions 215
7.1.3Tipping Point for Bioenergy Industrial Revolution 218
7.1.4Carbon Sink and BioenergyComprehensively Promoting the Third Energy Industry Revolution 222
7.2Hydropower and Irrigation Engineering Will Become Largest Basic
Industry 222
7.2.1Redefining Hydropower and Irrigation Engineering 222
7.2.2Biotechnology Will Double Biomass Production with Same Water Consumption 223
7.2.3Impact of Water-Saving Irrigation Technology on Water Resource Utilization Efficiency and Economics 223
7.2.4Hydropower and Irrigation Engineering Will Become Largest Basic Industry 226
7.3Agricultural Revolution and Redistribution of Social Wealth 228
7.3.1Bioenergy Driven by Genetic Engineering 229
7.3.2Upgrading Existing Grasslands and Forests 232
7.3.3Advancing into Deserts 234
7.3.4Agriculture Returning to Being the Top Economic Industry Again 237
7.4New Industrial System Supported by Bioenergy 241
7.4.1Transformation of Energy System 241
7.4.2Chemical Industry and Raw Materials 246
7.4.3Biomass Building Materials and Applications 246
7.4.4Establishment of New Industrial Systems 248
Chapter ⅧNew Ecology Driven by the Revolution in Bioenergy Industry
8.1Decline of Fossil Fuels and Their Industrial Systems 254
8.1.1The Dilemma of Fossil Fuel Energy Industry System 254
8.1.2The Last Days of Energy Giants 254
8.1.3Central Cities Depleted of Resources 255
8.1.4Formation of a New Energy Security System 256
8.2Rise of Bioenergy and Arrival of the Third Industrial Revolution 259
8.2.1Impending Third Industrial Revolution 259
8.2.2Soft Landing or Hard Landing 260
8.2.3Enormous Agricultural Population and Local Industrialization 261
8.2.4China Will Fully Promote and Lead the Third Industrial Revolution 262
8.3Sustainable Development of a Beautiful Earth Home 264
8.3.1Consensus 264
8.3.2Predicament 265
8.3.3Carbon Trading Boosts Bioenergy 268
8.3.4Chinas Commitment 270
8.3.5A Beautiful Earth Home 271
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