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La ZNIEFF constituée par la réserve naturelle de Chalmessin et par la Combe Quemaulles est très typique du plateau de Langres et est caractérisée par la richesse de sa flore et de sa faune (avec des espèces protégées, des espèces menacées et rares). Le relief est très accentué, les pentes raides orientées pour l'essentiel au nord et au sud favorisent des microclimats particuliers, avec de belles oppositions de versants. Les nombreuses sources situées vers le fond et le milieu du vallon sont considérées comme étant les sources principales de la Tille ; chargées de carbonate de calcium dissout, elles sont responsables des dépôts de tuf et à ce titre sont à l'origine de la formation du marais.
Sur le plateau se développe la chênaie-charmaie-hêtraie calcicole, sur les pentes les plus froides est localisée la hêtraie à dentaire et sur les versants les mieux exposés prospère la hêtraie sèche à Carex alba, remarquable site forestier xérophile et montagnard, avec des espèces rares comme le céphalanthère à feuilles en épée et l'épipactis à labelle étroit. Certaines zones montrent des systèmes dynamiques en mosaïque où les lisières et les petites clairières sont bien développées (de type Geranion sanguinei) qui renferment outre certaines espèces forestières citées plus haut, des espèces de lisières comme la coronille couronnée ou des espèces de pelouses comme l'aster amelle, protégée en France, le limodore à feuilles avortées, protégé à l'échelon régional. La forêt bordant les marais se rapporte pour l'essentiel à l'Aceri-Fraxinetum.
La végétation des marais tufeux (en partie débroussaillés) est essentiellement herbacée, les fruticées étant limitées aux lisières et à quelques zones situées à l'aval du marais : les 3/4 de leur surface sont constituées par une cariçaie à laîche de Daval, avec des espèces végétales telles que l'orchis incarnat, le choin ferrugineux (protégé au niveau national) et la linaigrette à feuilles larges inscrits sur la liste rouge des végétaux de Champagne-Ardenne. Le long des ruisselets se développe une cariçaie à laîche raide relevant des magnocariçaies et abritant une espèce rare sur le plateau de Langres, le ményanthe trèfle d'eau. Les marais sont constamment bordés par une frange de gros touradons de molinie, avec des espèces rares comme la renoncule à segments étroits et une petite fougère, l'ophioglosse.
Au contact des fruticées et de la moliniaie se développe une frange irrégulière de Filipendulion caractérisé par l'Aconit napel, montagnarde protégée en Champagne-Ardenne, abritant le très rare saule rampant, variété rosmarinifolius, également protégé. Les marais sont bordés de façon plus ou moins continue par une saulaie à saule cendré et saule pourpre comportant une fougère rare, le thélyptéride des marais.
Les pelouses occupent aujourd'hui une surface minuscule en comparaison avec leur étendue au début du siècle et elles étaient plus ou moins envahies de broussailles : ce secteur a été géré en 1996-1997 par débroussaillage et un suivi scientifique est en cours. Elles sont encore bien pourvues en espèces intéressantes comme la laîche pied d'oiseau, la violette des rochers et la canche moyenne, espèce en voie de régression car liée aux zones dénudées et piétinées.
L'étude de l'avifaune fait apparaître la richesse du site par le grand nombre d'espèces recensées et révèle son importance pour la nidification et les haltes migratoires de nombreuses espèces : le marais n'est fréquenté régulièrement que par quelques espèces insectivores pour l'essentiel qui viennent s'y nourrir, notamment pouillots, accenteurs et mésanges. On peut y remarquer la nidification du rare Busard Saint-Martin (rapace en raréfaction au niveau national suite à la disparition progressive de ses sites de reproduction). La lisière est le milieu le plus fréquenté et accueille à la fois des espèces forestières et des espèces de milieu plus bocager. La forêt est également bien fréquentée.
Sur les parties humides du marais se rencontrent, entre autres, la musaraigne aquatique protégée en France et inscrite sur la liste rouge des mammifères de Champagne-Ardenne. Trois chauve-souris, toutes protégées ont été notées : le murin à moustaches, le murin de Daubenton et la barbastelle. Plusieurs ensembles de terriers de blaireaux, espèce de la liste rouge régionale se remarquent dans la Combe Roire. Chevreuils, cerfs (uniquement de passage) et sangliers sont moyennement bien représentés, avec néanmoins une bonne fréquentation du marais.
Sept espèces de batraciens et trois espèces de reptiles ont été observées surtout aux abords et dans le marais : la salamandre tachetée (qui se reproduit dans les vasques de tufs du marais de pente), la grenouille rousse, les crapauds commun et accoucheur (deux étant inscrits sur la liste rouge de Champagne-Ardenne). Le lézard vivipare est étroitement lié au marais et aux berges humides des ruisseaux, très rare en Haute-Marne, il n'y est signalé que dans quelques sites du plateau de Langres et des forêts du Der.
L'entomofaune du secteur est particulièrement bien représentée et diversifiée avec 4 espèces protégées et 25 espèces menacées et rares, une partie de celle-ci ayant la même tonalité biogéographique qu'une partie de la flore : les libellules comportent notamment une espèce protégée au niveau national et international (convention de Berne et Directive habitats), l'agrion de Mercure, en déclin dans toute l'Europe et inscrit sur la liste rouge française, ainsi que le cordulégastre bidenté, rare en France (considérée comme une indicatrice de l'étage montagnard) et fortement menacée par la destruction de ses biotopes, le cordulégastre de Bolton, un peu moins menacé, la cordulie à taches jaunes, menacée en Europe, observée au-dessus des ruisselets et petites vasques qui parcourent le marais (ce type d'habitat est assez exceptionnel et semble être une particularité locale). Ces Odonates font partie de la liste rouge des insectes de Champagne-Ardenne.
Les criquets et sauterelles se localisent pour l'essentiel dans le marais avec notamment le conocéphale de Latreille (ou conocéphale des ruisseaux), le criquet à petites ailes et le criquet des montagnes, dans les prairies avec le criquet verdâtre, la decticelle des bruyères et le criquet ensanglanté très abondant et fortement consommé par les blaireaux.
Soixante-cinq espèces différentes de papillons diurnes ont été observées dans le secteur, alors que la région recèle potentiellement 95 espèces de Rhopalocères, ce qui montre la très grande richesse du site avec notamment pour le marais trois papillons protégés, la bacchante (périphérie boisée du marais), le damier de la succise et le fadet des tourbières ou daphnis qui est une des espèces les plus menacées en France, inscrite sur la liste rouge française en tant qu'espèce en danger.
Mis à part une petite tendance à la dynamique naturelle de certaines parties du site, il est en très bon état de conservation et constitue l'un des sites botaniques haut-marnais les plus remarquables (en 1980, il est classé parmi les 10 sites d'intérêt national retenus pour le département). Il fait partie de la grande ZNIEFF de type II du massif forestier d'Auberive est et sud.
Les limites de la ZNIEFF correspondent à celles de la réserve naturelle (partie est) et à une combe équivalente située à l'ouest.
