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La ZNIEFF du Bois de Chateau-Lion est un des sites majeurs du sud de la Haute-Marne. Elle se localise sur une vaste colline et couvre à la fois son sommet et ses versants. Des types forestiers variés s'y rencontrent en fonction du sol et du type d'exposition : chênaie-charmaie-hêtraie calcicole sur le plateau, hêtraie à dentaire sur versant nord, hêtraie xérophile à laîches sur versants bien ensoleillés, chênaie pubescente, rare groupement forestier méridional localisé ici en microclimat très chaud. Le plateau présente localement de vastes lapiaz très spectaculaires. Des pelouses relictuelles subsistent en lisière du bois, témoins des anciens pâturages extensifs qui couvraient le secteur autrefois.
Une dizaine d'espèces végétales rares ou très rares, souvent en voie de disparition en Haute-Marne, surtout d'origine montagnarde ou méridionale selon les expositions, s'y rencontrent : l'hépatique à trois lobes inscrite sur la liste rouge de Champagne-Ardenne dans la catégorie des espèces très rares menacées de disparition, un arbrisseau xérocalcicole, le rosier très épineux, la potentille à petites fleurs (espèce méridionale en limite d'aire), le céphalanthère à longues feuilles, la violette blanche (en limite d'aire) dans les forêts thermophiles, la pyrole unilatérale et la petite pyrole dans les pinèdes, la coronille à couronne (présente dans seulement trois localités en Haute-Marne, en limite d'aire et protégée en Champagne-Ardenne) dans les lisières, l'hélianthème des Apennins dans les pelouses relictuelles.
Le site est fréquenté par de nombreux oiseaux (une trentaine dont 23 sont protégés) et en particulier par l'alouette lulu (vulnérable et en régression, inscrite sur la liste rouge des oiseaux nicheurs de Champagne-Ardenne) et par certains rapaces. On y rencontre également une population d'insectes variée (dont le flambé inscrit sur la liste rouge régionale des papillons) et différents reptiles (dont le lézard vert, protégé en France et inscrit sur la liste rouge des reptiles vulnérables de Champagne-Ardenne).
Cette zone présente également un intérêt géologique (importantes zones de lapiez) et un intérêt archéologique (imposant éperon barré de l'age du fer).
Elle est dans un bon état général de conservation.
La limite suit la limite naturelle du massif forestier.
