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La ZNIEFF de type II du massif forestier de Clairvaux et des Dhuits est située dans les départements de l'Aube et de la Haute-Marne, dans la région naturelle du Barsuraubois. D'une superficie de 14 670 hectares, elle renferme 13 ZNIEFF de type I représentant les sites connus comme les plus caractéristiques du massif forestier. Sa situation géologique et topographique y détermine des biotopes variés et a permis l'installation d'une végétation forestière diversifiée : chênaie-charmaie calcicole, forêt neutrophile (hêtraies à dentaire et à mélique), forêts thermophiles (hêtraie sèche et chênaie pubescente), chênaie pédonculée-frênaie de fond de vallon et plus localement aulnaie-frênaie. Des groupements de lisières et de pelouses floristiquement très riches en font aussi partie. On note également la présence de formations karstiques (gouffres) et tufeuses (de très faible extension spatiale). Des plantations de pins, des prairies mésophiles et quelques cultures complètent l'inventaire des milieux présents dans cette ZNIEFF.
Les plateaux et les pentes mésothermes sont domaine de la chênaie-charmaie calcicole et de la hêtraie neutrophile : le chêne sessile, le chêne pédonculé et le hêtre dominent une strate arborescente qui comprend également le charme, le merisier, le frêne, les érables champêtre et sycomore, le noisetier, etc. Dans le tapis herbacé se remarquent la jonquille, la scille à deux feuilles, l'anémone des bois, la mélique uniflore, le lamier jaune, l'aspérule odorante, le millet diffus, la fétuque hétérophylle, l'euphorbe faux-amandier, la pervenche et la laîche des bois.
Localisée sur le plateau calcaire du Petit Val des Caves se rencontre une chênaie neutrocalcicole à jacinthe des bois (forêt subatlantique très rare dans l'Aube où se situe sa limite de répartition vers l'est). Les principales espèces herbacées sont la jacinthe des bois et le fragon petit-houx (tous les deux rares et en limite d'aire absolue), l'orge d'Europe, la laîche digitée, la sanicle d'Europe, la mélique uniflore, l'ornithogale des Pyrénées...
Sur les pentes les plus escarpées et les plus ensoleillées se développent la hêtraie calcicole thermophile et plus rarement la chênaie pubescente (surtout à Bayel), avec une strate arborescente composée par le hêtre, le cormier (espèce subméditerranéenne rare en Champagne-Ardenne), l'alisier blanc, le pin sylvestre, le chêne pubescent, le chêne sessile, l'alisier torminal et l'orme des montagnes. La strate arbustive renferme de nombreuses espèces calcicoles (viorne mancienne, cerisier de Sainte-Lucie, chèvrefeuille camerisier, joli-bois, tamier commun, etc.). La strate herbacée est bien développée et caractérisée par la seslérie bleue, de nombreuses orchidées (céphalanthère rouge, céphalanthère à feuilles en épée, limodore abortif, épipactis à larges feuilles, orchis pourpre, néottie nid d'oiseau, épipactis de Müller), des laîches diverses (laîche digitée, laîche glauque, laîche des montagnes), la mélitte à feuilles de mélisse, la primevère officinale, le sceau de Salomon odorant, la garance voyageuse (rare dans l'Aube, située ici à sa limite de répartition absolue vers l'est), l'hellébore fétide, le brachypode des bois... Le long de certains chemins forestiers subsiste une lisière thermophile bien caractérisée : on y remarque l'euphorbe ésule, l'aster amelle, le cytise couché, la grande gentiane, l'orchis singe, la phalangère rameuse, la phalangère à fleur de lis, le grémil pourpre bleu, le laser à larges feuilles, l'orobanche d'Alsace, la digitale jaune, la marjolaine, le brachypode penné, etc.
La hêtraie froide à dentaire prospère sur les ubacs pentus et ombragés des vallons intraforestiers. Le hêtre domine largement une strate arborescente qui comporte aussi les érables plane et sycomore, le frêne élevé, le tilleul à grandes feuilles. La dentaire pennée et l'actée en épis se remarquent dans le tapis herbacé. La hêtraie neutrophile à mélique est très répandue et fait la transition entre la chênaie-charmaie-hêtraie calcicole et la hêtraie à dentaire.
Dans les fonds de vallons apparaît la forêt mésohygrophile enrichie en frêne, chêne pédonculé, érables plane et sycomore et renfermant dans le tapis herbacé la nivéole printanière, l'ail des ours, l'anémone fausse-renoncule, la ronce bleue, la jonquille. Ce type de boisement continental est proche ici de sa limite de répartition vers l'ouest.
Quelques lambeaux de forêt alluviale inondable subsistent çà et là (à Bayel et dans le vallon de Saint-Bernard), avec le frêne, le chêne pédonculé, l'aulne glutineux, le sycomore et de beaux exemplaires d'orme lisse. Dans la strate arbustive le cassis, le groseillier à maquereaux, le groseillier rouge, le sureau noir, la viorne obier se remarquent. La strate herbacée renferme l'aconit napel (grosses touffes), la laîche tomenteuse, la laîche espacée, la belladone, la ficaire fausse-renoncule, la primevère élevée, etc.
Les pinèdes (plantations ou groupements dynamiques de recolonisation) se rencontrent sur les coteaux bien exposés sous deux formes, la pinède claire (à strate arbustive discontinue et tapis herbacé relevant de la pelouse à brachypode et peucédan) et la plantation dense de pins qui renferme la goodyère rampante.
Au niveau des escarpements rocheux, des talus routiers ou à la faveur de clairières forestières, subsistent des groupements relictuels de pelouses sèches : floristiquement très variées, elles sont constituées par de nombreuses graminées (brome dressé, fétuque de Leman, brize intermédiaire, koelérie pyramidale), ainsi que par le cytise couché, le cytise pédonculé, l'anémone pulsatille, la globulaire, l'orobanche d'Alsace, la laîche de Haller, l'hélianthème jaune, le séséli des montagnes, la germandrée petit-chêne et la germandrée des montagnes, les gentianes ciliée et germanique, le genêt pileux et le genêt des teinturiers, la potentille printanière, le polygale du calcaire, la chlorette perfoliée, le peucédan herbe-aux-cerfs... Elles sont très riches en orchidées : orchis mâle, orchis bouc, orchis bouffon, orchis pyramidal, orchis moucheron, orchis militaire et orchis pourpre, acéras homme pendu, ophrys bourdon, ophrys araignée et ophrys mouche, listère ovale et platanthère à deux feuilles.
La pelouse mésohygrophile à molinie bleue n'occupe qu'une superficie limitée (vallon de Bayel) : elle est largement dominée par les laîches glauque et tomenteuse, l'inule à feuilles de saule, la serratule des teinturiers, la molinie bleue, le lotier à gousses carrées, le trèfle des montagnes, le silaüs des prés. On note aussi la présence de la violette élevée (protégée), de l'ophioglosse, de l'orchis odorant (protégé) et de l'épipactis des marais. Les deux premiers sont également inscrits sur la liste rouge régionale.
La diversité des biotopes présents permet la présence de deux lots différents d'espèces, montagnardes d'une part et subatlantiques-subméditéranéennes d'autre part, avec de nombreuses espèces rares, protégées ou en limite d'aire dans le département : deux espèces sont protégées en France, l'aster amelle et la violette élevée (très rare et en régression spectaculaire, localisée dans le fond du vallon des Vaux Jean à Bayel, au niveau d'un secteur frais), dix sont protégées au niveau régional. Il s'agit de la nivéole printanière (très rare dans l'Aube où elle n'est connue que dans quelques localités), du céphalanthère rouge, du céphalanthère à feuilles en épée, de l'orchis singe (plus d'une centaine de pieds dans le pré-bois du coteau du Moulin du Pontot), de la phalangère à fleur de lis, de la grande gentiane jaune (espèce préalpine dont les stations de Champagne-Ardenne, avec celles de Bourgogne, sont les seules stations de plaine connues en France), de la gymnadénie à odeur de vanille (orchidée d'origine centreuropéenne, rare et disséminée dans l'Aube où elle se localise dans quelques stations du Barsuraubois), de l'aconit napel, du narcisse des poètes et de l'orobanche d'Alsace, présente en France seulement dans le nord-est et le sud-est, en régression importante dans la région et menacée de disparition (extension du vignoble). Certaines d'entre elles sont aussi inscrites sur la liste rouge, de même que l'euphorbe ésule à Bayel (micro-endémique de l'Est et du Bassin parisien, très rare dans le département où l'on n'y connaît qu'une seule autre localité), le limodore abortif, l'ophrys araignée, le cytise couché, le cassis et l'orme lisse.
On peut également noter la présence, dans le périmètre de la ZNIEFF, de la jacinthe des bois, d'origine atlantique, très rare dans l'Aube où elle atteint sa limite d'aire absolue vers l'est (station disjointe de l'aire principale), du fragon petit-houx (rare dans l'Aube, localisé surtout en Champagne humide et proche de sa limite absolue de répartition orientale) et de la garance voyageuse, rare dans le département et en limite absolue de répartition vers l'est dans le Barsuraubois.
La faune est également intéressante à plusieurs points de vue. L'entomofaune est variée et bien diversifiée : seuls ont été inventoriés ici les Odonates, les Orthoptères et les Lépidoptères. Les pelouses, les prairies et les lisières fleuries attirent des sauterelles et des papillons variés, avec par exemple, pour les premières le conocéphale bigarré, la grande sauterelle verte, la decticelle bariolée, la decticelle cendrée, le criquet des pâtures et, pour les seconds, le citron, le paon du jour, le demi-deuil, l'échiquier, le céphale, la carte géographique, le procris, l'hespérie de la houlque...
Le ruisseau le Morin (au nord de Montheries) abrite ainsi une population d'écrevisses à pattes blanches, protégée depuis le 17/12/92 par un Arrêté Préfectoral de Protection de Biotope sur 1,9 km de cours d'eau. Ce crustacé bénéficie d'une protection nationale depuis 1983, il est inscrit 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 en France, catégorie "vulnérable". Un Arrêté Préfectoral de Protection de Biotope a été également pris sur une partie du cours du ruisseau de Saint-Bernard (2200 mètres de long sur 1 à 2 mètres de large) à l'ouest de Clairvaux : ce petit ruisseau (classé en première catégorie) prend sa source dans la Forêt Domaniale et bien qu'asséché régulièrement, il est d'une exceptionnelle richesse en gammares et autres invertébrés benthiques. L'absence de nitrates et autres nutriments lui permet de garder un fond (sables et graviers calcaires) exempt d'algues filamenteuses et une eau pure et claire très attrayante pour la truite fario qui s'y reproduit et s'y alimente. De nombreuses libellules fréquentent ces sites, notamment le cordulégastre annelé (qui fréquente les ruisseaux et torrents aux eaux pures et claires), inscrit sur la liste rouge des Odonates de Champagne-Ardenne, la petite nymphe au corps de feu, l'agrion élégant, l'agrion à larges pattes et le caloptéryx éclatant.
Les amphibiens se rencontrent surtout dans les vallons humides et au niveau du Moulin du Pontot (dans la vallée de l'Aube). On y remarque notamment deux espèces protégées en France depuis 1993 et inscrites sur la liste rouge régionale des amphibiens : le sonneur à ventre jaune (en régression en Europe et dans la plupart des régions françaises, inscrit aux annexes II et IV de la directive Habitats, à l'annexe II de la convention de Berne et figurant dans le livre rouge de la faune menacée en France, dans la catégorie "vulnérable") et la salamandre tachetée. La grenouille verte, le crapaud commun, la grenouille rousse et différents tritons (triton alpestre, triton palmé, triton ponctué) sont également présents. Différents reptiles fréquentent également la zone, dont le lézard vert (dans les pelouses et les milieux rocailleux bien ensoleillés), en limite d'aire dans la région, inscrit sur la liste rouge des reptiles de Champagne-Ardenne, le lézard des murailles (inscrit à l'annexe IV de la directive Habitats), la vipère aspic et la couleuvre à collier.
Les oiseaux sont particulièrement bien représentés avec, sur les 86 espèces contactées, près d'une quinzaine appartenant à la liste rouge des oiseaux nicheurs de Champagne-Ardenne : le pipit farlouse, le pouillot de Bonelli (espèce rare mais qui se maintient encore ici au niveau des ourlets entre les vignes et les forêts rocailleuses), l'alouette lulu (assez commune dans les milieux buissonnants, les lieux secs et ensoleillés), la pie-grièche écorcheur et dans les forêts plus denses, le rouge-queue à front blanc (en régression inquiétante), le pigeon colombin dont la densité reste faible (et dont les couples nicheurs sont notamment en diminution dans le Barrois), le pic cendré (nicheur très rare et en régression alarmante, très raréfié dans l'Aube), le pic mar, l'engoulevent d'Europe (au niveau des pinèdes claires et des jeunes plantations), le faucon hobereau, le milan noir et le milan royal dont les populations sont en régression. La chouette de Tengmalm a été contactée autrefois à plusieurs reprises. Le phragmite des jonc, le bruant des roseaux et la rousserolle turdoïde nichent dans les marais à proximité de Bayel. D'autres espèces plus communes fréquentent également la ZNIEFF : les milieux ouverts et broussailleux accueillent la linotte mélodieuse, le chardonneret, le bouvreuil, l'alouette des champs, le serin cini, le bruant jaune, le pipit des arbres... Dans les bois se rencontrent de nombreux pics (pic vert, pic épeiche, pic épeichette et surtout pic noir avec un nombre de couples important), mésanges (charbonnière, nonnette, boréale, bleue, huppée, noire), fauvettes (des jardins, à tête noire et grisette dans une moindre mesure), pouillots (pouillot fitis dans les ourlets forestiers et les peuplements semi-ouverts, pouillot véloce et pouillot siffleur), la sittelle torchepot, le troglodyte mignon et le grimpereau des jardins (surtout dans les hêtraies-chênaies de versant nord), l'accenteur mouchet, le grosbec casse noyaux... De nombreux rapaces survolent le site à la recherche de nourriture ou de lieu de nidification, comme par exemple la bondrée apivore, le busard cendré (nicheur possible), le busard Saint-Martin, l'autour des palombes, l'épervier, le faucon crécerelle et la buse variable. C'est de plus il existe des zones dortoirs pour le hibou moyen-duc.
Les mammifères sont représentés par les chevreuils, cerfs (zone importante pour le brâme) et sangliers (la forêt de Clairvaux étant un site de reproduction important) ainsi que par certains carnivores comme le renard, la martre (très commune et en augmentation), la fouine, le chat sauvage (très bien représenté), le putois, le blaireau, la belette et l'hermine. L'écureuil n'est pas très abondant et se rencontre surtout au niveau des plantations résineuses. La genette a été contactée récemment par des gardes forestiers dans le Val d'Airain : totalement protégée en France depuis 1981, inscrite à l'annexe V de la directive Habitats, à l'annexe III de la convention de Berne et sur la liste rouge régionale (en tant qu'espèce rare), elle est proche ici de la limite occidentale de son aire de répartition.
Plusieurs espèces de chauves-souris, notamment le petit rhinolophe, le grand rhinolophe et le vespertilion à oreilles échancrées, ont été contactées dans un gouffre en limite sud-ouest de la ZNIEFF : il s'agit du petit rhinolophe, du grand rhinolophe et du vespertilion à oreilles échancrées. En très forte régression en France et en Europe, ils sont protégés au niveau national depuis 1981, inscrits à l'annexe II de la convention de Berne, aux annexes II et IV de la directive Habitats, figurent dans le livre rouge de la faune menacée en France (catégorie vulnérable) et sur la liste rouge régionale. Dans la forêt environnante, a été détectée la présence de la noctule commune (annexe IV de la directive Habitats) et de deux pipistrelles (Pipistrellus pipistrellus et Pipistrellus pygmaeus).
Le site présente également un certain intérêt géologique et géomorphologique dû à la présence de phénomènes karstiques et de petites sources tufeuses (dans la Forêt des Dhuits et le Bois de Laferté). La plus grande partie de la ZNIEFF est incluse dans la Z.I.C.O. CA 06 (Barrois et Forêt de Clairvaux) de la directive Oiseaux.
Les limites de la ZNIEFF correspondent aux limites des massifs forestiers de Clairvaux et des Dhuits, en excluant à l'est une zone enrésinée (de l'autre coté de la R.N.19) et des zones à intérêt biologique moindre au sud.
