【摘要】【目的】对西北地区主要粮食作物碳足迹和水足迹进行评估，并基于碳足迹和水足迹建立多目标种植结构优化模型，对各省（区）粮食作物进行空间布局调整，为减少碳排放量和强化水资源管理提供理论依据。【方法】以西北地区小麦、玉米和水稻种植面积、产量和农资投入量等为基础数据，利用生命周期法（LCA）对碳足迹进行评估；以蒸散量和有效降水量为基础数据，利用Penman-Monteith公式对水足迹进行评估；基于熵权法对西北五省（区）三大粮食作物布局进行多目标优化。【结果】1999—2020年西北地区小麦、玉米、水稻的碳足迹和水足迹在不同省（区）表现出明显的差异性。西北地区3种粮食作物小麦、玉米、水稻碳排放呈现出东西部较高，中部较低的分布特点，其单位产量碳足迹（PCF）的范围分别为：0.36—0.63、0.33—0.56、0.57—0.97 t CO_2-eq·t~(-1)，单位面积碳足迹（FCF）分别为：（2.46±0.77）、（3.21±0.49）、（5.57±0.91)t CO_2-eq·hm~(-2)。2010—2018年西北地区小麦、玉米绿水总量呈平稳上升趋势，水稻绿水总量变化不显著。平均绿水总量较高的地区分布在陕西、甘肃和宁夏。蓝水总量在2010—2015年呈上升趋势，2016—2018年呈现下降趋势，平均蓝水总量较高的地区分布在甘肃、宁夏和新疆。玉米是西北地区三大粮食作物中蓝水足迹最小的作物，平均蓝水足迹为0.45 m~3·kg~(-1)；水稻的蓝水足迹最大，平均蓝水足迹为0.77 m~3·kg~(-1)。基于碳足迹和水足迹进行粮食作物种植结构优化，以各省（区）不同作物种植面积为决策变量，并根据不同权重设置重点减少碳排放（生态效益）和重点增加绿水利用（水资源效益）的优化情景。情景1碳排放总量减少1.9%，绿水利用总量增加5.0%；情景2碳排放总量减少11.8%；情景3绿水利用总量增加6.7%。【结论】西北地区三大粮食作物碳排放和水总量时空差异显著。碳足迹方面，该地区三大粮食作物平均FCF呈现增加，PCF呈现降低的变化趋势。水足迹方面，该地区三大粮食作物绿水足迹高于全国均值，其中玉米绿水足迹最大，水稻绿水足迹最小。在粮食作物安全保障的前提下，小麦种植面积增加6.7%、玉米和水稻种植面积分别减少5.8%和8.0%，经济、资源和生态效益均有一定的改进。综上所述，多目标优化后可以提高绿水资源利用，减少碳排放量，缓解环境压力。