[目的] 探查粮食主产区土地利用变化规律及其碳效应，为土地利用结构调整及低碳经济发展提供依据。[方法] 基于多期土地利用现状数据，在网格采样法、土地利用动态度模型、碳排放系数法以及空间自相关分析模型支持下，揭示1980年以来洞庭湖流域土地利用变化规律及其碳效应的空间异质性特征。[结果]（1）洞庭湖流域土地利用阶段性变化，1980-2000年综合动态度为0.02%，其中动态度最大的是建设用地，未利用地次之，2000-2020年综合动态度增至0.18%，建设用地面积增长加快；（2）净碳效应表现为碳汇，但由1980年的5929.63×104 t下降到2020年2819.04×104 t，而由土地利用变化引起的碳效应呈现碳排放变化量大于碳汇变化量特点，并导致净碳排放量增加了60.75×104 t，且空间上净碳排放相对高值区呈“H”型分布特点，低值区逐渐扩张；（3）洞庭湖流域集水小区净碳排放的空间自相关性特征显著，1980-2000年主要聚集类型为高-高型和低-低型，低-高型分布零散，2000-2020年高-高型分布更加集中连片，低-低型主要在湘江流域北部。[结论] 洞庭湖流域应坚持“碳增汇、碳减排”定位，保持林地的碳汇稳定状态，科学引导高碳排放土地的开发利用，并依据空间自相关特点关注不同集水区的碳排放“同化”作用。