优化粮食作物的种植结构是保障粮食安全与减少农业源温室气体排放的有效手段。基于中国各省农业生产投入、管理经营与农产品成本收益汇编数据，采用排放因子、多目标优化及成本收益分析方法，核算了2021年中国及各省份粮食生产温室气体排放状况并揭示其空间分布特征及贡献份额，优化了其种植结构和布局，开展了主要作物的生产成本和经济效益分析。研究发现：(1) 2021年，中国粮食生产温室气体排放总量达4.33×10~8tCO_2eq, CH_4和N_2O是主要贡献者，排放量占比分别为40.12%和32.56%;水稻种植是第一大排放源，其排放温室气体2.09×10~8tCO_2eq,玉米是温室气体排放量最大的旱地作物。(2)中国粮食作物生产温室气体排放在空间上呈现东高西低、南多北少的格局，东北平原、长江中下游平原和珠江三角洲等水稻主产区是高排放区。(3)优化作物种植结构后，粮食种植面积相对于2021年下降6.78%,灌溉用水、化肥用量分别下降了4.82%和4.87%;作物产量增加1.1%,其中水稻、小麦产量分别减少0.62%、0.55%,玉米则增产1.48%;温室气体排放总量下降5.09%,其中CO_2、CH_4和N_2O排放分别减少5.98%、5.6%和3.7%。(4)粮食作物结构种植调整有助于提升成本收益，优化后粮食作物总收益可增加305.74亿元，七种粮食作物除蔬菜种植成本有所增加外，其他作物均不同程度降低。未来，受气候变化、市场竞争和高种植成本等因素影响，中国粮食安全保障和温室气体减排压力将进一步加剧，优化种植结构、推动农业全产业链升级与降低生产资料消耗是实现农业稳粮减排的有效途径。