Faits:
A. A._ est propriétaire de la parcelle n° 2'096 du registre foncier de Cartigny, au lieu-dit La Petite-Grave. Ce bien-fonds, d'une surface de 4'837 m2, supporte une maison d'habitation de 119 m2, qui se trouve dans un état de dégradation avancé, un ancien bâtiment en ruine, deux anciennes porcheries de 258 m2 et 151 m2 ainsi qu'une petite annexe de 12 m2. La parcelle en question est située en zone agricole.
En 1995, la commune de Cartigny avait élaboré un projet de modification des limites de zones du hameau de La Petite-Grave. Il était prévu que ce hameau situé en zone agricole serait classé en zone à bâtir, à savoir en "zone 4B protégée" selon le droit cantonal. Le plan initial classait la partie ouest de la parcelle n° 2'096 en zone à bâtir. Le projet a été examiné par le Grand Conseil du canton de Genève, avant d'être abandonné à la suite d'une modification de la loi d'application de la loi fédérale sur l'aménagement du territoire (LaLAT; RSG L 1 30). L'art. 22 aLaLAT, sur lequel se fondait le projet de la commune de Cartigny, a en effet été abrogé le 27 juin 2003.
B. Par avis paru à la Feuille d'avis officielle du canton de Genève du 26 avril 2006, la commune de Cartigny a mis à l'enquête publique un projet visant à déclasser le lieu-dit La Petite-Grave en zone de hameau au sens du nouvel art. 22 LaLAT. Il est prévu de classer dans cette zone un périmètre tracé à environ 6 m des façades des bâtiments formant l'essentiel des constructions sises sur ce site, quelques bâtiments isolés n'y étant pas intégrés. Une "zone de développement 4B protégée" devrait également être créée, dans le prolongement de la zone de hameau, au nord-est de celle-ci. A cette fin, il est prévu de déclasser une partie de la parcelle n° 2'800 ainsi qu'une petite partie de la parcelle n° 2'096 appartenant à A._. Le plan de site prévoit en outre la construction d'un immeuble de logements de deux niveaux sur la parcelle n° 2'800 et d'un petit bâtiment d'habitation sur la parcelle n° 2'096, à l'emplacement de la maison existante.
Malgré l'opposition de A._ à ce projet, le Conseil municipal de Cartigny a délivré à l'unanimité un préavis favorable. Le 18 avril 2007, A._ a formé opposition auprès du Conseil d'Etat du canton de Genève. Le 24 avril 2008, le Grand Conseil du canton de Genève a adopté la "loi modifiant les limites de zones sur le territoire de la commune de Cartigny (création d'une zone de hameaux et d'une zone de développement 4B protégée au lieu-dit La Petite-Grave)". Il a également rejeté l'opposition de A._. Par arrêté du 18 juin 2008, publié dans la Feuille d'avis officielle du 23 juin 2008, le Conseil d'Etat a promulgué ladite loi.
C. A._ a recouru contre cette loi auprès du Tribunal administratif du canton de Genève (ci-après: le Tribunal administratif), en concluant à l'annulation de la loi et au classement de l'intégralité de sa parcelle en zone à bâtir. Il alléguait en substance que ce classement s'imposait en application de l'art. 15 de la loi sur l'aménagement du territoire du 22 juin 1979 (LAT; RS 700) et que la loi contestée était arbitraire et violait la garantie de la propriété ainsi que l'égalité de traitement.
Le Tribunal administratif a rejeté ce recours par arrêt du 28 juillet 2009. Il a d'abord constaté que l'art. 61 al. 2 de la loi cantonale du 12 septembre 1985 sur la procédure administrative (LPA/GE; RSG E 5 10) ne lui permettait pas de revoir l'opportunité de l'acte attaqué et que cette limitation de son pouvoir d'examen n'était pas contraire à l'art. 110 LTF ni à l'art. 33 LAT. Il a en outre considéré que l'art. 15 LAT n'imposait pas le classement de l'entier de la parcelle n° 2'096 en zone à bâtir et que ni la garantie de la propriété, ni l'égalité de traitement, ni le principe général de la bonne foi n'avaient été violés.
D. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral d'annuler cet arrêt et de dire que la parcelle n° 2'096 doit être déclassée dans son intégralité en zone à bâtir et que le dossier est renvoyé au Grand Conseil pour nouvelle délimitation de la zone à bâtir dans le sens des considérants. Il invoque la force dérogatoire du droit fédéral (art. 49 al. 1 Cst.) et se plaint d'une violation de l'art. 15 LAT, ainsi que de l'égalité de traitement (art. 8 Cst.) et de la garantie de la propriété (art. 26 Cst.). Le Tribunal administratif a renoncé à se déterminer. Le Grand Conseil a présenté des observations; il conclut au rejet du recours. A._ a présenté des observations complémentaires.
Considérant en droit:
1. Dirigé contre une décision rendue dans le domaine du droit public de l'aménagement du territoire, le recours est recevable comme recours en matière de droit public conformément aux art. 82 ss de la loi sur le Tribunal fédéral (LTF; RS 173.110) auxquels renvoie l'art. 34 al. 1 LAT (ATF 133 II 353 consid. 2 p. 356, 249 consid. 1.2 p. 251). Aucune des exceptions prévues à l'art. 83 LTF n'est réalisée. Le recourant a pris part à la procédure de recours devant le Tribunal administratif cantonal et est particulièrement touché par l'arrêt attaqué, qui confirme que la majeure partie de sa parcelle ne sera pas classée en zone constructible. Il a donc la qualité pour agir au sens de l'art. 89 al. 1 LTF. Pour le surplus, interjeté en temps utile et dans les formes requises contre une décision finale prise en dernière instance cantonale non susceptible de recours devant le Tribunal administratif fédéral, le recours est recevable au regard des art. 42, 86 al. 1 let. d, 90 et 100 al. 1 LTF.
2. Dans un premier moyen, le recourant invoque la force dérogatoire du droit fédéral. Il voit une contradiction entre l'art. 110 LTF et l'art. 61 al. 2 LPA/GE, sur la base duquel le Tribunal administratif a délimité son pouvoir d'examen.
2.1 Selon l'art. 49 al. 1 Cst., le droit fédéral prime le droit cantonal qui lui est contraire. Ce principe constitutionnel de la primauté du droit fédéral fait obstacle à l'adoption ou à l'application de règles cantonales qui éludent des prescriptions de droit fédéral ou qui en contredisent le sens ou l'esprit, notamment par leur but ou par les moyens qu'elles mettent en oeuvre, ou qui empiètent sur des matières que le législateur fédéral a réglementées de façon exhaustive (ATF 135 I 106 consid. 2.1 p. 108; 128 I 46 consid. 5a, 295 consid. 3b; 127 I 60 consid. 4a et les arrêts cités).
2.2 L'art. 61 al. 2 LPA/GE a la teneur suivante: "les juridictions administratives n'ont pas compétence pour apprécier l'opportunité de la décision attaquée, sauf exception prévue par la loi". Aux termes de l'art. 110 LTF, "si, en vertu de la présente loi, les cantons sont tenus d'instituer un tribunal comme autorité cantonale de dernière instance, ils font en sorte que ce tribunal ou une autre autorité judiciaire, statuant en instance précédente, examine librement les faits et applique d'office le droit déterminant". Conformément à l'art. 86 al. 2 LTF, "les cantons instituent des tribunaux supérieurs qui statuent comme autorités précédant immédiatement le Tribunal fédéral, sauf dans les cas où une autre loi fédérale prévoit qu'une décision d'une autre autorité judiciaire peut faire l'objet d'un recours devant le Tribunal fédéral". Une telle exception n'étant pas prévue par la LAT, c'est bien un tribunal qui doit statuer en dernière instance cantonale, de sorte que les exigences de l'art. 110 LTF doivent être respectées.
2.3 L'examen libre des faits au sens de l'art. 110 LTF permet au juge d'analyser les preuves sans aucune restriction, afin de déterminer si l'existence ou l'inexistence d'un fait est établie. Il implique notamment que des faits et moyens de preuve nouveaux peuvent être présentés. Quant à l'application d'office du droit, elle signifie que le juge détermine lui-même les règles de droit applicable et décide comment les interpréter, sans être lié par l'argumentation juridique des parties ni par celle de l'autorité précédente (ATF 135 II 369 consid. 3.3 p. 374; BERNARD CORBOZ, in Commentaire de la LTF, 2009, n. 15 ss ad art. 110 LTF; BERNHARD EHRENZELLER, in Basler Kommentar Bundesgerichtsgesetz, 2008, n. 17 ss ad art. 110 LTF).
L'examen libre en fait et en droit au sens de l'art. 110 LTF se distingue de l'appréciation de l'opportunité. En effet, dans le premier cas le juge est chargé de revoir la constatation des faits et de déterminer si l'acte contesté est conforme au droit, alors que dans le second cas il peut en principe opter pour une autre solution équivalente s'il la juge préférable, même si la solution qui lui est soumise est conforme au droit. Il s'ensuit que l'examen en opportunité donne en règle générale une plus grande latitude de jugement que le libre examen en fait et en droit. Par conséquent, la restriction de l'art. 61 al. 2 LPA/GE, qui interdit en principe les juridictions administratives d'apprécier l'opportunité de la décision attaquée, n'empêche aucunement ces juridictions d'examiner librement les faits et d'appliquer le droit d'office au sens de l'art. 110 LTF.
Il convient au demeurant de préciser qu'en matière d'aménagement du territoire, l'autorité cantonale de recours prévue par l'art. 33 al. 3 let. b LAT doit, dans le cadre du contrôle de l'opportunité, préserver la liberté d'appréciation de l'organe compétent pour adopter le plan. Dès lors, si la mesure d'aménagement est appropriée, elle doit être confirmée par l'autorité de recours, qui ne saurait lui substituer une autre solution également convenable (ATF 134 II 117 consid. 6.1 non publié; 127 II 238 consid. 3b/aa p. 242; arrêts 1C_17/2008 du 13 août 2008 consid. 2.4.1 publié in SJ 2008 I 471; 1C_348/2007 du 21 décembre 2007 consid. 4.2; 1P.320/2003 du 22 août 2003 consid. 2). Dans ces conditions, l'art. 61 al. 2 LPA/GE ne contredit pas l'art. 110 LTF, à tout le moins en matière d'aménagement du territoire, si bien que ce premier grief doit être rejeté.
2.4 Pour le surplus, même si le recourant n'invoque pas de violation de l'art. 33 al. 3 LAT, il y a lieu de constater que les juges cantonaux ont examiné matériellement la présente cause conformément aux exigences déduites de cette disposition. En effet, nonobstant les considérants de l'arrêt attaqué portant sur une limitation du pouvoir d'examen du Tribunal administratif, celui-ci a en réalité vérifié sans restriction l'application du droit fédéral et procédé librement à une pesée des intérêts en présence, après avoir notamment effectué une inspection des lieux. Dans le cas présent, l'examen de la mesure de planification litigieuse est dès lors conforme à la norme précitée.
3. Le recourant se plaint en outre d'une violation de l'art. 15 LAT. Il soutient que le classement de sa parcelle en zone à bâtir s'imposait au regard de cette disposition.
3.1 Aux termes de l'art. 15 LAT, les zones à bâtir comprennent les terrains propres à la construction qui sont déjà largement bâtis (let. a) ou qui seront probablement nécessaires à la construction dans les quinze ans à venir et seront équipés dans ce laps de temps (let. b). La notion de "terrains déjà largement bâtis" doit être comprise de manière étroite. Elle ne s'applique pas à n'importe quel groupe de constructions; il faut que l'on soit en présence d'un milieu bâti, qui présente les caractéristiques d'une "agglomération", avec les infrastructures habituelles ("Siedlungsstruktur"). Les critères à prendre en compte sont notamment le caractère compact de l'ensemble construit, les équipements, les liaisons avec les autres zones à bâtir ou l'infrastructure publique. Les constructions agricoles peuvent être exceptionnellement prises en compte; il ne suffit toutefois pas qu'un ensemble de maisons n'ait plus de fonctions agricoles pour qu'il réponde à cette définition (ATF 132 II 218 consid. 4.1 p. 223; 121 II 417 consid. 5a p. 424; 116 Ia 197 consid. 2b p. 201; 113 Ia 444 consid. 4d/da p. 451; arrêt 1C_225/2008 du 9 mars 2009 consid. 4.1 et les références citées).
3.2 En l'occurrence, le recourant ne saurait être suivi lorsqu'il prétend que la parcelle n° 2'096 est largement bâtie. Ce bien-fonds de 4'837 m2 supporte en effet une maison d'habitation de 119 m2 dans un état de dégradation avancé et deux anciennes porcheries ainsi qu'une petite annexe. Il est manifeste que ces constructions ne présentent pas les caractéristiques énumérées par la jurisprudence susmentionnée. De plus, la partie de la parcelle n° 2'096 qui a été incorporée à la zone à bâtir se situe dans l'axe du hameau, au bout de la route traversant l'agglomération, et elle supporte une maison certes fortement dégradée mais encore debout. Elle se distingue donc du solde de la parcelle litigieuse, qui ne remplit pas ces critères. La mesure de planification contestée entre donc dans le cadre de la jurisprudence susmentionnée et repose sur des motifs objectifs. Pour le surplus, la pénurie de logements dans le canton de Genève ne suffit manifestement pas pour retenir que la parcelle du recourant sera "probablement nécessaire à la construction dans les quinze ans à venir" au sens de l'art. 15 let. b LAT, ce raisonnement pouvant s'appliquer à tous les terrains propres à la constructions situés sur le territoire cantonal (cf. ALEXANDRE FLÜCKIGER/STÉPHANE GRODECKI, in Commentaire LAT, 2009, n. 119 ss ad art. 15 LAT et les références). En définitive, le recourant ne démontre pas en quoi les autorités cantonales auraient violé l'art. 15 LAT en ne classant pas l'entier de sa parcelle en zone à bâtir.
4. Le recourant se prévaut également d'une violation de la garantie de la propriété (art. 26 Cst.). Il est vrai que le maintien de la majeure partie de sa parcelle en zone agricole constitue une atteinte à ce droit fondamental. Il doit donc reposer sur une base légale, être justifié par un intérêt public ou par la protection d'un droit fondamental d'autrui et être proportionné au but visé (art. 36 Cst.). Le Tribunal fédéral examine en principe librement si les mesures d'aménagement du territoire répondent à un intérêt public et respectent le principe de la proportionnalité; il s'impose toutefois une certaine retenue lorsqu'il s'agit de tenir compte de circonstances locales ou de trancher de pures questions d'appréciation (ATF 135 I 176 consid. 6.1 p. 181; 132 II 408 consid. 4.3 p. 416 et les références).
L'existence d'une base légale n'est à juste titre pas contestée par le recourant. Celui-ci prétend en revanche que la planification litigieuse ne répond à aucun intérêt public et qu'elle porte une atteinte disproportionnée à la garantie de la propriété. L'intérêt public lié à une séparation claire entre les zones constructibles et non constructibles a été maintes fois reconnu par la jurisprudence. Il peut en outre se déduire des principes de l'aménagement du territoire, parmi lesquels figurent l'utilisation mesurée du sol (art. 1 al. 1 LAT), la protection des bases naturelles de la vie, telles que le sol, l'air, l'eau, la forêt et le paysage (art. 1 al. 2 let. a LAT), la création et le maintien d'un milieu bâti harmonieusement aménagé et favorable à l'habitat et à l'exercice des activités économiques (art. 1 al. 2 let. b LAT), ainsi que la préservation du paysage en veillant à ce que les constructions s'y intègrent (art. 3 al. 2 let. b LAT) et en conservant les sites naturels et les territoires servant au délassement (art. 3 al. 2 let. d LAT). Il convient également d'aménager les territoires réservés à l'habitat selon les besoins de la population et de limiter leur étendue (art. 3 al. 3 LAT). Il est donc manifeste que le maintien de certaines parcelles en zone non constructible répond à un intérêt public. On ne voit pas pourquoi l'intérêt privé du recourant devrait l'emporter en l'occurrence ni en quoi la restriction de son droit de propriété serait disproportionnée, étant rappelé qu'il est prévu de classer une partie de sa parcelle en zone constructible. Par ailleurs, contrairement à ce que soutient le recourant, le fait que les constructions sises sur son bien-fonds ont perdu toute vocation agricole ne suffit pas pour considérer que celui-ci doit être soustrait à la zone agricole (cf. arrêt 1C_225/2008 précité, consid. 4.4). Il s'ensuit que l'affectation critiquée est toujours compatible avec l'art. 26 Cst., de sorte que ce grief doit être rejeté.
5. Enfin, le recourant invoque l'égalité de traitement. Il se réfère à la parcelle n° 2'800, qui a été classée en zone à bâtir ("zone de développement 4B protégée") alors qu'elle est libre de toute construction et qu'elle n'aurait pas perdu sa vocation agricole. Il ressort cependant des plans figurant au dossier que cette parcelle se situe dans le prolongement du hameau de La Petite-Grave et qu'elle est accolée à celui-ci, ce qui n'est pas le cas de la parcelle n° 2'096. La différence de traitement de ces deux bien-fonds est donc fondée sur des motifs objectifs. Le recourant se réfère par ailleurs à un projet relatif au hameau de Chevrens. Il prétend qu'il s'agit d'un "cas de figure totalement similaire" mais il ne le démontre aucunement. De plus, contrairement à ce qu'il semble soutenir, le fait que ces deux projets concernent des hameaux soustraits à la zone agricole ne signifie pas qu'ils sont en tous points comparables. Pour autant que ce grief soit suffisamment motivé, il doit donc lui aussi être rejeté.
6. Il s'ensuit que le recours doit être rejeté. Le recourant, qui succombe, doit supporter les frais de la présente procédure (art. 66 al. 1 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 3'000 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Le présent arrêt est communiqué au mandataire du recourant, ainsi qu'au Grand Conseil et au Tribunal administratif du canton de Genève.
Lausanne, le 21 janvier 2010
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Le Greffier:
Féraud Rittener