[目的]分析生态退耕背景下黄河流域耕地的时空变化特征，探讨黄河流域不同区域耕地变化与农业生产和生态环境的相互关系，旨在为黄河流域农业绿色发展和耕地利用政策提供借鉴。[方法]基于2000—2020年黄河流域连续土地利用数据，利用面板格兰杰因果检验和双变量空间自相关量化耕地变化与农业生产、生态环境之间的动态因果及空间交互关系。[结果]（1）黄河流域2000—2020年年均减少耕地69.53万hm2，还林还草是耕地主要减少去向，2020年和2004年是退耕还林还草高峰年，中上游是退耕还林还草重点区；（2）从格兰杰因果检验来看，下游地区退耕还林还草对农业生产和生态环境没有显著影响，上游地区长期退耕还林还草对农业产值增加有利，中游粮食产量和生态系统服务供给低的地区退耕还林还草更多，中上游生态退耕对生态环境有显著促进作用；（3）从空间自相关结果来看，下游地区退耕与农业生产和生态环境的空间分布不具有一致性，黄土高原南部和太行山附近退耕还林还草与生态环境指标呈高—高集聚，鄂尔多斯高原地区退耕与农业产值呈小范围高—高集聚。[结论]退耕还林还草是黄河流域耕地变化的重要原因，退耕还林还草规模与农业生产和生态环境之间的空间关系异质性明显，且在部分区域存在因果关系，不同区域应当针对具体问题提出不同用地策略。