China enfrenta desafíos de seguridad alimentaria y producción agrícola sostenible. Sin embargo, los estudios actuales rara vez abordan los patrones de distribución espacial del consumo de agua y las emisiones de carbono. Estudiamos la eficiencia del uso del agua de riego y las diferencias en las emisiones de carbono de los cultivos en áreas áridas y su distribución espacial utilizando el trigo y el maíz, dos cultivos alimentarios principales en los tramos medios del río Heihe, como ejemplos. Además, hemos optimizado el cultivo de bajo carbono de los cultivos bajo los múltiples objetivos de conservación del agua y desarrollo económico. Los resultados muestran que: (1) Las emisiones de carbono por unidad de consumo de agua para el maíz son 0.03 x 10-6 t mm-1 y 0.49 x 10-6 t mm-1 para el trigo. El consumo de agua de riego por unidad de rendimiento es de 515.6 mm t-1 para el maíz y 426.7 mm t-1 para el trigo. (2) Los patrones de distribución espacial del consumo de agua de riego fueron opuestos para el maíz y el trigo. El primero tiene un menor consumo de agua de riego en la zona de cultivo aguas arriba del río Heihe y mayor en los tramos inferiores. En contraste, el patrón de riego del trigo es el opuesto. (3) Después de optimizar la mezcla de cultivos para ambos cultivos, el área sembrada con trigo debería reducirse al 59% del tamaño actual, mientras que el maíz debería expandirse al 104%. Los resultados de la investigación tienen una inmensa importancia para guiar los futuros patrones de siembra de cultivos de grano para la agricultura que ahorra agua y el desarrollo de la agricultura de bajo carbono en zonas áridas de todo el mundo, alineándose con los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas.