近年来河套灌区种植结构变化明显,但因缺乏适宜的用水效率和效益综合评价指标,已往种植结构优化难以统筹考虑灌溉水和降水的利用效率和效益,以及区域内外作物用水效率和效益的协同,水足迹与虚拟水理论的提出,为解决这一难题开辟了新途径。以中国北方河套灌区为例,利用Aqua Crop模型量化了单位能量水足迹（EWF）、单位产量水足迹（PWF）和单位净效益水足迹（NBWF）,基于此评价了灌区作物用水效率和效益的时空演变特征;基于3类水足迹的比较优势分析了灌区种植结构存在的问题,明确了水足迹指标在种植结构调整中对于利益相关者的意义。建立了在水资源、耕地资源和粮食需求限制下,保障和提高粮食安全、生态安全、水分利用效率和绿水占比的多目标优化模型。为了实现种植结构区域内外的协同,目标中加入了相对比较优势作为虚拟水流动参数调节项。采用NSGA-Ⅲ算法对模型求解后得到了政府、灌区管理单位以及农户利益诉求下的种植结构优化方案。旨在保障灌区粮食安全的基础上,提高农户经济效益,改善灌区生态环境,实现种植业高效用水。主要研究结果如下:（1）河套灌区作物PWF、EWF和NBWF的年际变化明显,空间分布特征主要受区域农业生产水平影响。在1995-2017年,随着粮食作物单产上升,粮食作物的PWF和EWF呈下降趋势;经济作物单产下降,且番茄产量波动较大,导致经济作物的PWF和EWF变化呈波动上升趋势;随着饲料作物单产下降,其PWF和EWF呈上升趋势;随着粮食、经济和饲料作物经济效益提高,其NBWF均呈下降趋势。空间分布方面,生产水平较低的五原县、乌拉特前旗和磴口县水足迹较高。（2）灌区种植结构调整应着重控制农业面源污染程度和提高灌区农业用水的效率和效益。河套灌区作物灰水足迹占比为35%-40%,1995-2017年间种植结构演变存在用水效益上升,用水效率下降现象。为了实现灌区内外的用水效率和效益的协同,建模时可借助作物绝对和相对比较优势,增加优势农作物生产,从而实现区域内外互利共赢。（3）种植结构优化有助于保障灌区粮食安全、生态安全,提高经济效益、水分利用效率和绿水所占比例。以政府利益诉求为主时,优化后灌区作物提供的总能量、灰水足迹、经济效益、水分利用效率和绿水所占比例分别提高了105%、30%、29%、6%和2%。以政府利益诉求为主的优化结果仅在经济效益方面比以农户利益诉求为主时低2%,说明以政府利益诉求为主的优化调整方案已经可以满足农户的经济效益需求。同时,种植结构调整后最高可以节约5.5%的可利用农业水资源量。（4）灌区作物提供的总能量、灰水足迹、经济效益分别对种植面积、作物灰水足迹和净效益最为敏感。由于向日葵种植面积最大,所以其种植面积的变动对作物所能提供的总能量影响程度较大。春小麦、玉米和向日葵的灰水足迹较大,所以对生态安全影响较大。瓜果、杂粮和蔬菜的净效益较大,所以对经济效益影响较大。此外,农户的意愿对种植结构的调整的顺利实施尤为重要,为了促进调整方案顺利实施,政府部门需要在文化教育、粮食和农机补贴、农产品保护价控制方面来增强农户抵抗风险的能力。