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La ZNIEFF des forêts et escarpements de la vallée de la Semoy et de ses affluents est située entre Thilay et la frontière belge. Elle comprend la Semoy et son lit majeur, les ruisseaux qui viennent la rejoindre (ruisseaux de Saint-Jean, de la Grande Fontaine, la Douve, rus de Narbruay, de Nantanru, de la Gire, de Desnigel) et les versants raides qui les surplombent. En 1999 elle a été très largement étendue par rapport à sa superficie initiale pour prendre en compte l'ensemble des biotopes menacés (inscrits sur la liste rouge des habitats de Champagne-Ardenne) présents le long des vallons adjacents à la Semoy (tiliaie-acéraie de pente, hêtraie à luzule des bois et à grande fétuque très bien représentées dans les ravins de Nariva, Nenfergoutte, la Gorge des Hazelles, le long du ru de la Retorse, du ruisseau de Saint-Jean, végétations des escarpements rocheux, etc.). Dans cette extension ont également été prises en compte les prairies mésohygrophiles à hygrophiles à avoine élevée, pâturin des marais, renouée bistorte et succise des prés, celles-ci passant progressivement à l'aulnaie-saulaie à sphaignes et à la bétulaie à crépis des marais et polytric dans la partie supérieure du ruisseau de Saint-Jean. Cette ZNIEFF de type I, d'une superficie actuelle de plus de 2 300 hectares, est incluse dans la vaste ZNIEFF de type II du Massif forestier d'Ardenne.
La végétation forestière est adaptée aux sols acides du lieu et présente selon la topographie et l'exposition plusieurs types de boisements très caractéristiques de la région : la forêt de pente rocailleuse à grande fétuque, polystic à cils raides et polystic à aiguillons, la frênaie-érablière à scolopendre, actée en épis et lunaire vivace, la hêtraie acidiphile à luzule blanche, houx et myrtille, la chênaie sessiliflore acide à canche flexueuse, myrtille et fougère aigle, la chênaie-charmaie à lamier jaune et primevère élevée, la forêt hygrophile rivulaire (aulnaie-frênaie et aulnaie) à dorine à feuilles opposées et dorine à feuilles alternes (localisée aux rives de la Semoy et du ruisseau Saint-Jean), l'aulnaie à sphaignes et à osmonde royale (sources des ruisseaux de la Papeterie et du Corbeau). Les falaises rocheuses portent une végétation acidiphile rase à arabette des sables, orpin réfléchi, silène penché, doradille noire, doradille septentrionale, les deux sous-espèces du faux capillaire, etc. Sur les replats herbeux des rochers siliceux se développe une végétation caractérisée par la potentille argentée, le trèfle à petites fleurs, le trèfle pied-de-lièvre, la fétuque hétéropachys, la sagine apétale et la jasione des montagnes. Ces deux groupements sont très marginalisés en raison d'une recolonisation naturelle de la presque totalité des parois rocheuses par la forêt. Les groupements de pelouses à seslérie bleue aux rochers de Robertsart n'existent déjà plus.
La vallée de la Semoy portent des prairies mésohygrophiles de fauche ou pâturées à fétuque des prés, avoine élevée, vulpin des prés, pâturin des marais (à Naux, rive gauche de la Semoy), pâturin commun, renouée bistorte, achillée sternutatoire, menthe des champs, etc. Quelques prairies abandonnées évoluent vers la mégaphorbiaie à reine des prés, eupatoire chanvrine, cirse des maraîchers et valériane officinale. Le long de la rivière et de certains ruisseaux se développe une végétation d'hélophytes à acore, baldingère, glycérie aquatique, patience des eaux, iris faux-acore, scirpe des bois, grande cuscute... Ces eaux vives, claires et fraîches portent une végétation à renoncule flottante, dont la très rare variété à quelques feuilles flottantes (var. à feuilles en éventail), vue à Nohan en juillet 2000, potamot à feuilles crépues, myriophylle en épis, glycérie flottante, butome en ombelle, sagittaire, etc.
De nombreuses espèces végétales rares se rencontrent dans la ZNIEFF, notamment cinq espèces protégées, l'osmonde royale dans les aulnaies, la lunaire vivace dans les forêts de ravins (espèce d'origine montagnarde dont les stations de Champagne-Ardenne sont, avec celles de Bourgogne, les seules de la plaine française), le saxifrage rhénan (espèce endémique de l'Europe centrale, les seules stations françaises se situant dans les Vosges, le Jura et l'Ardenne primaire), le pâturin des marais et la phalangère à fleur de lis. Ces quatre dernières espèces sont inscrites sur la liste rouge des végétaux menacés de Champagne-Ardenne, de même qu'une sous-espèce du faux capillaire (Asplenium trichomanes ssp. trichomanes). On peut également souligner ici la présence unique dans les Ardennes d'une hépatique, la plagiochile spinuleuse (plagiochila spinulosa), à la base de certains blocs rocheux du bord de la Semoy (rive gauche) vers la Roche aux Corpias, dans la zone des "rapides de Phade". Certains lichens rares et particuliers trouvent refuge sur ces parois, notamment la cladonie des chênes et diverses ombilicaires.
La richesse faunistique est élevée. Les affluents de la rive gauche du ruisseau de Saint-Jean abritent Baetis melanonyx, éphémère montagnarde rare en France. Elle est accompagnée par Epeorus sylvicola (ruisseaux Saint-Jean, de Houru et de Narbruay), éphémère caractéristique des eaux rapides et fraîches des régions montagneuses, assez rare en France. Les libellules sont nombreuses et présentent sept espèces inscrites sur la liste rouge régionale des Odonates : agrion nain, agrion gracieux, gomphe vulgaire, cordulie métallique, libellule fauve, orthétrum brun, cordulégastre annelé (espèce montagnarde). Elles sont accompagnées par des papillons vivement colorés (paon-du-jour, robert-le-diable, aurore, citron, vulcain, petite-tortue, thécla du chêne, thécla de l'orme, ce dernier étant inscrit sur la liste rouge des Lépidoptères de Champagne-Ardenne...), des demoiselles (agrion porte-coupe, agrion jouvencelle, petite nymphe au corps de feu, naïade aux yeux rouges, leste fiancé, leste verdoyant, etc.) et des sauterelles diverses (grande sauterelle verte, sauterelle des chênes).
Le lézard des murailles se rencontre au niveau des rochers, il est inscrit à l'annexe IV de la directive Habitats. On peut signaler, au niveau de la Roche aux Corpias, la présence de très nombreux individus à la queue coupée, ce qui traduit probablement de fréquentes et brutales manipulations par les personnes pratiquant l'escalade à cet endroit. La coronelle lisse, présente aussi dans la ZNIEFF est inscrite sur la liste rouge régionale des reptiles.
La faune avienne présente quelques raretés inscrites sur la liste rouge des oiseaux menacés en Champagne-Ardenne, comme la chouette de Tengmalm (nicheur très rare, figurant à l'annexe I de la directive Oiseaux), la gélinotte des bois (population fragmentée, en régression) et le cincle plongeur.
Les mammifères sont abondants, notamment les grands cervidés (chevreuils) et les carnivores (renard, martre, hermine, chat sauvage). Trois espèces appartiennent à la liste rouge des mammifères de Champagne-Ardenne : le putois (partiellement protégé) et la musaraigne aquatique (totalement protégés), cette dernière figurant également, avec la crossope de Miller, dans le livre rouge de la faune menacée en France.
Le ruisseau de Saint-Jean abrite notamment une population de lamproie de Planer et de chabot (inscrits sur l'annexe IV de la directive Habitats) ; la Semoy abrite à Haumé le spirlin ou ablette de rivière. Ce sont des poissons de rivière aux eaux froides, claires, bien oxygénées et non polluées. On y trouve également du brochet, de la perche de rivière, du goujon, de la carpe, de l'anguille, du gardon, du barbeau, de la tanche, du vairon...
Une partie de la ZNIEFF a été proposée dans le cadre de la directive Habitats pour intégrer le futur réseau Natura 2000 (site n° 54 : forêts de la vallée de la Semoy). Elle fait aussi partie de la Z.I.C.O. CA 01 du plateau ardennais (Directive Oiseaux). Les groupements forestiers sont encore en bon état et l'enrésinement est demeuré dans ce secteur assez limité (relief très fortement accidenté). Par contre les groupements herbacés héliophiles ont considérablement régressé, sinon disparu. Dans les fonds de vallée, la régression des praires mésohygrophiles est importante et découlent de deux phénomènes : l'installation de nombreux cabanons de plaisance le long de la Semoy et l'abandon de la fauche ou du pâturage. Certains sites sont de plus en plus fréquentés (escalade, tourisme) avec une forte dégradation des rochers (notamment la Roche aux Corpias, passée dans certains endroits à la brosse métallique).
La délimitation suit les limites topographiques des escarpements et coteaux (groupements majoritairement forestiers) entre Tournavaux, Linchamps, Thilay et les Hautes-Rivières.
Autre : frontière franco-belge (au niveau de plusieurs endroits de la partie est de la zone).
