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Cette vaste zone humide constitue un espace naturel encore bien préservé et diversifié. Elle abrite une importante mosaïque de milieux qui se juxtaposent (étangs, mares, petits cours d’eau, roselières, friches humides à grandes laîches, saulaie et aulnaies marécageuses et boisement frais de chênaie-charmaie) et induisent une grande biodiversité : plus de 400 espèces animales et 271 espèces végétales sont déjà recensées sur le site.
Outre cette remarquable diversité écologique, son intérêt patrimonial réside surtout dans la présence de nombreuses espèces rares et menacées dont plusieurs d’entre elles sont protégées aux niveaux régional et national.
Parmi les plantes les plus remarquables de la zone humide, il faut citer la présence de 3 espèces protégées en Ile-de-France : le Bident radié (Bidens radiata), espèce pionnière se développant sur les vases exondées riches en azote des étangs et des mares, l’Utriculaire citrine (Utricularia australis), petite plante aquatique carnivore non enracinée et nageante qui colonise surtout les mares forestières, et la Fougère des marais (Thelypteris palustris) encore bien présente dans le sous-bois ombragé des aulnaies tourbeuses. Elles côtoient ici bon nombre d’autres espèces remarquables comme le Sélin à feuille de Carvi (Selinum carvifolium), grande ombellifère des prairies humides qui se maintient ici en quelques stations dissimulées au sein de la roselière, la Laîche digitée (Carex digitata) qui pousse en lisière des boisements de chênaie-charmaie accompagnée ici du Conopode dénudé (Conopodium majus) et du Dryoptéris écailleux (Dyopteris affinis subsp.borreri), le Cératophylle inerme (Ceratophyllum subsmersum) plante aquatique des eaux stagnantes à légèrement courantes qui se développe sur le site dans le déversoir de l’étang des trois ducs aux côtés du Potamot capillaire (Potamogeton trichoides), l’Ajonc nain (Ulex minor), petit arbuste épineux des landes mésophiles capable aussi de s’accommoder ici de terrains plus humides.
La faune de la réserve est également d’une grande valeur patrimoniale, notamment au niveau des peuplements d’entomofaune et d’avifaune qu’elle abrite.
Parmi les insectes, pas moins de 9 espèces sont protégées au niveau régional et 1 espèce au niveau national. La Leucorrhine à large queue (PN) (Leucorrhinia caudalis), d’apparition récente sur le site, est sans doute l’élément patrimonial le plus remarquable. Cette libellule, qui fréquente les étangs intraforestiers et les tourbières acides, est devenue extrêmement rare dans la région. La seule population connue actuellement se cantonne à deux ou trois étangs du sud-ouest francilien dont celui des Trois Ducs. Cinq autres libellules rares et protégées en Ile-de-France sont également présentes sur les plans d’eau et sur les sources dans les boisements de la réserve : le Sympétrum noir (PR) (Sympetrum danae), la Grande Aeschne (PR) (Aeshna grandis), le Cordulégastre annelé (PR) (Cordulegaster boltonii boltonii), l’Agrion mignon (PR) (Coenagrion scitulum) et l’Agrion nain (PR) (Ischnura pumilio).
En l'absence d'indice de reproduction sur le site les espèces à large rayon d'action que sont Leucorrhinia caudalis et Aeshna grandis n'ont cependant pas été intégrées à la liste des déterminantes du site.
L’Ecaille marbrée-rouge (Callimorpha dominula (PR), papillon protégé en Ile-de-France, s’observe dans les prairies humides et les friches à grandes herbes qui bordent les plans d’eau. Un autre lépidoptère protégé, la Mélitée du plantain (Melitaea cinxia) a également été observée en 2011 sur les prairies mésophiles fauchées récemment intégrées à la Réserve des Etangs de Bonnelles. Au nord de la réserve, une petite population de Mantes religieuses (Mantis religiosa) (PR) se maintient au niveau d’une petite prairie mésophile fauchée annuellement.
D’autres insectes intéressants sont signalés dans la réserve, principalement des espèces typiques des berges d’étangs et des marais comme l’Elaphre des marécages (Elaphrus uliguinosus), la Lébie à tête verte (Lebia chlorocephala), l’Oedemère à corselet safran (Oedemera croceicollis) ou encore le Miroir (Heteropterus morpheus), d’autres caractéristiques des chênaies fraîches et ombragées comme le Poécile joli (Poecilus lepidus), le Cychre caraboide (Cychrus caraboides) et d’autres inféodés aux vieilles saulaies comme le Petit mars changeant (Apatura ilia) et le Mycétophage noir (Mycetophagus ater) pour lequel le site de Bonnelles constitue l’une des rares stations franciliennes. Il faut aussi remarquer la présence d’un petit carabique extrêmement rare et qui n’était pas observé dans la région depuis de nombreuses décennies : l’Ambylstome noir (Amblystomus niger).
Parmi les orthoptères, outre la présence de l’Oedipode turquoise (PR) (Oedipoda caerulescens), espèce pionnière qui a rapidement colonisé les dépôts de vases issus du curage de l’étang, il faut surtout signaler dans le même habitat, l’observation d’une population du Grillon bordelais (Tartarogryllus bordigalensis), petit grillon d’apparition récente en région Ile-de-France.
Enfin, particulièrement propice aux odonates, il faut aussi mentionner la présence sur le site du Caloptéryx vierge (Calopteryx virgo meridionalis), de l’Agrion de Vander Linden (Cercion lindenii), du Leste brun (Sympecma fusca), de l’Anax napolitain (Anax parthenope), de la Libellule fauve (Libellula fulva), de l’Orthétrum brun (Orthetrum brunneum), de l’Orthétrum bleuissant (Orthetrum coerulescens), du Gomphe gentil (Gomphus pulchellus) et du très rare Gomphe à pinces (Onychogomphus forcipatus).
Au niveau avifaunistique, la zone humide des étangs de Bonnelles est également très attrayante du fait de la diversité des habitats qu’elle renferme. Près de 95 espèces ont été recensées (tous statuts confondus) sur le site et dont près de la moitié sont considérés comme reproducteurs probable. Signalons d’emblée la présence régulière d’un couple de Faucon hobereau (PN) (Falco subbuteo) dans le bois nord. L’étang constitue un terrain de chasse de choix pour ce prédateur de chiroptères et de gros insectes. Les bois assurent par ailleurs un couvert apprécié de la Bécasse des bois (scolopax rusticola), dont la présence printanière augure d’un probable comportement reproducteur. Le site est également occupé par au moins un couple de Bergeronnette des ruisseaux (Motacilla cinerea), observé la plupart du temps sur l’étang de Chartemps. Parmi les autres nicheurs caractéristiques il faut signaler la Rousserolle effarvate (Acrocephalus scirpaeus) (PN), puis la rousserolle verderolle, d’arrivée récente, qui profite de la rudéralisation de certaines parties de la roselière pour nicher, mais aussi l’Effraie des clochers, hôte régulière d’un nichoir artificiel.
Le Grèbe castagneux (Taxchybaptus ruficollis) (PN) et le Martin-pêcheur (Alcedo atthis) fréquentent assidûment la réserve, sans qu’aucun indice de reproduction n’est pu être formellement apporté.
En outre, l’exondation saisonnière des berges de L’étang des trois ducs profite à plusieurs espèces de limicoles telles que le Chevalier culblanc (Tringa ochropus) et le Chevalier guignette (Actitis hypoleucos), tandis que la Grande aigrette (casmerodius albus), de passage, parcoure les zones de faibles profondeur à la recherche de mollusques et de poissons. Mentionnons également une observation ponctuelle de Blongios nain (Ixobrychus minutus)(PN)(1998), de passage également. Le site accueille par ailleurs au moins un individu de Râle d’eau (Rallus aquaticus) chaque hiver.
Pour les mammifères, on signalera seulement la présence du Murin de Daubenton (Myotis daubentonii)(PN/AR) qui hiverne parfois dans la voûte des ponceaux.
Le site commence a être bien connu sur le plan naturaliste même si les parcelles privées n’ont pas fait l’objet d’inventaires systématiques. Certains groupes biologiques sont toutefois encore méconnus et mériteraient d’être étudiés à l’avenir : bryophytes, arachnides, champignons…
La délimitation proposée tient compte de la répartition des espèces végétales et animales remarquables et de leur territoire d'occupation dans l’état actuel des connaissances. A l’ouest du site, elle prend également en compte quelques parcelles moins bien connues du point de vue naturaliste dont les habitats sont toutefois similaires et contigus à ceux de la réserve naturelle (boisements marécageux). Les espaces urbanisés ou trop fortement anthropisés ont été exclus du périmètre mais certains éléments du patrimoine bâti y sont toutefois intégrés (ponts, ancien embarcadère). Le cours des ruisseaux est inclus dans le zonage (intérêt des berges pour la nidification de certains oiseaux notamment).
