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La vallée du Rognon depuis sa source jusqu'à la confluence avec la Marne est un vaste ensemble très caractéristique des rivières rapides des plateaux jurassiques haut-marnais, avec une végétation remarquable à plus d'un titre : prairies plus ou moins humides (Bromion racemosi, Arrhenatherion elatioris, Oenanthion fistulosae), autrefois fauchées, mais aujourd'hui plus souvent pâturées, groupements à hautes herbes et groupements aquatiques de la rivière, plus rarement boisements alluviaux (bel Alno-Padion à orme lisse et cassis). Elle renferme trois ZNIEFF de type I (partie aval de la vallée du Rognon, coteaux et vallée à Ageville et Esnouveaux et vallée de la Manoise entre Manois et Vignes-la-Côte). Une partie de la ZNIEFF est incluse dans la ZICO CA 10 de la directive Oiseaux.
Leur flore renferme des espèces rares ou protégées : l'aconit napel protégé en Champagne-Ardenne, la renoncule aquatique, le groseillier à cassis, inscrits sur la liste rouge régionale, ou encore l'orme lisse, la sous-espèce dentata de la cardamine des prés (nouvelle pour la région), la cardamine amère, la laîche paniculée, etc.
La faune contient aussi des richesses remarquables. Le site est fréquenté par de nombreux mammifères et en particulier des chauve-souris qui estivent pour certaines sous les ponts : le grand murin et le vespertilion de Bechstein, protégés en France (depuis 1981) et en Europe (convention de Berne), inscrits sur les listes européennes (annexes II et IV de la Directive Habitats), dans le livre rouge de la faune menacée en France et sur la liste rouge des mammifères de Champagne-Ardenne.
La faune avienne est bien représentée avec une quarantaine d'espèces protégées (nombreux passereaux, divers rapaces) et six espèces rares ou menacées : la huppe fasciée, nicheur rare et en régression (la Champagne-Ardenne est considérée comme la limite septentrionale de répartition de l'espèce), le pipit farlouse, encore assez commun mais en régression (rare en Haute-Marne), le pic cendré, nicheur très rare et en régression alarmante, l'hirondelle de rivage, assez rare, le rougequeue à front blanc, en régression inquiétante et la pie grièche écorcheur, nicheur commun mais en nette diminution dans la région. Ils sont tous inscrits sur la liste rouge des oiseaux de Champagne-Ardenne.
Les libellules sont très variées et caractéristiques des petites vallées calcaires froides, avec en particulier l'agrion de Mercure, très menacé dans la moitié nord du pays, protégé en France (depuis 1993) et en Europe (convention de Berne), inscrit sur les listes rouges nationales et régionales, le cordulégastre annelé, rare en France et d'origine montagnarde, le gomphe vulgaire, etc. Un éphémère, Baetis liebenauae, a été nouvellement trouvé sur le site à Saucourt-sur-Rognon en 1997, en compagnie d'autres espèces, Baetis rhodani, Baetis scambus et Serratella ignita.
Les batraciens sont bien représentés : 16 espèces ont été recensées, dont sept figurent dans le livre rouge de la faune menacée en France. On y observe le triton alpestre et le pélodyte ponctué protégés en France et inscrits dans l'annexe III de la convention de Berne et sur la liste rouge régionale. Se remarquent également l'alyte accoucheur, le triton à crêtes, le sonneur à ventre jaune et la rainette verte, tous bénéficiant d'une protection nationale (depuis 1993) et européenne (annexe II de la convention de Berne), inscrits dans l'annexe IV de la directive Habitats et sur la liste rouge des amphibiens de Champagne-Ardenne. La salamandre tachetée, le crapaud calamite en déclin au niveau régional, sont aussi inscrits sur cette même liste rouge. Le crapaud commun (protégé) et la grenouille rousse sont aussi représentés.
Les poissons sont très caractéristiques des eaux claires peu polluées : chabot et lamproie de Planer (directive Habitats) truite sauvage, ombre commun (excellent indicateur de la qualité des eaux) inscrit dans le livre rouge de la faune menacée en France, vandoise, vairon, spirlin, gardon, loche franche... Dans le bief en aval des étangs on peut observer en plus des carpes, des perches, des tanches, des brochets (qui ne devraient pas se trouver dans une rivière de première catégorie).
On peut également trouver, dans certains petits affluents du Rognon, l'écrevisse à pieds blancs (protégée en France depuis 1983, inscrite à l'annexe III de la convention de Berne, aux annexes II et IV de la directive Habitats et dans le livre rouge de la faune menacée).
La rivière est en très bon état et parmi les plus représentatives du département (et même au-delà), c'est le secteur de référence du schéma départemental piscicole (pression de pèche encore assez faible, empoissonnement négligeable et présence de nombreuses zones de frai).
Les limites suivent les contours des zones les plus riches du lit majeur de la rivière et de certains affluents abritant l'écrevisse à pieds blancs.
