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La ZNIEFF des vallons de Trimeule et de Sincéron, d'une superficie de 163 hectares, est éclatée en deux sites proches situés de part et d'autre de la vallée de la Marne, à l'est de Vesaignes-sur-Marne pour l'un et au sud de Marnay-sur-Marne pour l'autre. Elle est constituée par deux vallons encaissés qui s'ouvrent sur la vallée et qui sont parcourus dans leur partie inférieure par un ruisseau tufeux. Leur direction générale, grossièrement est-ouest, génère des versants orientés principalement au sud et au nord, à l'origine de microclimats particuliers. La ZNIEFF regroupe des milieux très variés : les bois sont les mieux représentés ; plus localement on rencontre aussi des pelouses, des prairies pâturées ou fauchées ainsi que des jachères anciennes et ponctuellement des groupements marécageux (cariçaies à laîche des marais, filipendulaies à reine des prés et angélique sylvestre), des groupements de rochers à fougères et des sources tufeuses.
Les types forestiers sont typiques de la région centrale du département de la Haute-Marne. On distingue :
- la chênaie-charmaie calcicole à mésoneutrophile avec une strate arborescente comprenant principalement le chêne sessile, le chêne pédonculé et le charme. La strate arbustive est riche en espèces : noisetier, rosier des champs, cornouiller mâle, cornouiller sanguin, camerisier à balais, fusain d'Europe, troène, aubépine épineuse, bois joli, laurier des bois. Le tapis herbacé présente un fort recouvrement et comprend la scille à deux feuilles, l'asaret d'Europe, la mercuriale vivace, la stellaire holostée, la primevère élevée, la mélique uniflore, la pulmonaire tubéreuse, l'ornithogale des Pyrénées, la petite pervenche…
- l'érablière à scolopendre (vallon de Trimeule) sur les pentes fortes à gros éboulis en mélange avec la tiliaie-acéraie. La strate arborescente est constituée par l'érable sycomore (très abondant), le tilleul à grandes feuilles, le frêne élevé, plus rarement l'érable plane et l'orme de montagne. Dans la strate herbacée se remarquent l'aspérule odorante, le lamier jaune, la laîche digitée, la pulmonaire à fleurs sombres appelée aissi pulmonaire obscure (médioeuropéenne assez rare en France et située à sa limite d'aire de répartition géographique), l'orge d'Europe, le brome rude, etc. Au niveau des gros éboulis rocheux se développe une végétation ptéridophytique particulière avec le capillaire, la rue de murailles, le cystoptéris fragile, le polypode et la scolopendre.
- la forêt thermophile à buis dans les zones les plus sèches. Elle se présente sous forme d'un taillis de charmes et de chênes, avec beaucoup de buis en sous-bois. Dans les lisières se remarquent l'hellébore fétide, la violette hérissée, le trèfle rougeâtre et l'ancholie vulgaire.
- en fond de vallon et bas de pente, la frênaie-érablaie. Le frêne et le sycomore codominent la strate arborescente. La strate herbacée comprend notamment la moschatelline, la corydale solide, l'anémone fausse renoncule, la podagraire, l'épiaire des bois…
- l'aulnaie-frênaie rivulaire, avec dans la strate arborescente l'aulne glutineux, le frêne, plus rarement le chêne pédonculé, le tremble et l'érable sycomore. La strate herbacée est constituée de laîche espacée, laîche des marais, parisette, reine des prés, lierre terrestre, ficaire fausse-renoncule, etc.
Certaines pelouses calcaires (Mesobromion et ponctuellement Alysso-Sedion) subsistent sur le territoire de la ZNIEFF. On y rencontre de nombreuses espèces typiques de ces milieux, avec des graminées (brome dressé, fétuque de Léman, brachypode penné, l'avoine des prés), l'hélianthème jaune, le séséli des montagnes, le cytise pédonculé, l'hippocrépide chevelu, la petite pimprenelle, la potentille printanière, l'œillet prolifère, le genêt des teinturiers, l'orchis mâle... Sur quelques dalles, dans la végétation plus clairsemée, apparaissent l'orpin âcre, l'orpin blanc, l'orpin de Bologne, le trèfle scabre (inscrit sur la liste rouge régionale), le pâturin bulbeux et de nombreuses annuelles comme par exemple la drave printanière, le saxifrage tridactyle, le céraiste nain, le céraiste des sables, la véronique des champs, le tabouret perfolié et l'arabette des sables.
La végétation des sources est constituée par la petite berle (très grosse population au niveau de la source de la Trimeule), la véronique des ruisseaux, la scrofulaire ailée, le populage des marais... Certaines d'entre elles sont tufeuses de même que les ruisseaux qui en découlent (ruisseau de Sincéron).
La ZNIEFF recèle une faune variée, notamment du point de vue des oiseaux et des mammifères.
La faune ornithologique est bien représentée : parmi les 45 espèces d'oiseaux répertoriés, quatre font partie de la liste rouge des oiseaux nicheurs menacés en Champagne-Ardenne. Il s'agit du milan noir, du milan royal, du cincle plongeur (ou merle d'eau) qui niche dans les environs du moulin de Trimeule et, dans les milieux prairiaux et broussailleux, de la pie-grièche écorcheur.
Le bois à l'est comporte de nombreux arbres morts et des chablis très favorables à l'avifaune sylvicole. Les boisements accueillent les pics (pics épeiche, pic vert), la sittelle torchepot, le loriot, le geai des chênes, la tourterelle des bois, le roitelet triple bandeau, le pipit des arbres, le grosbec casse-noyaux, le grimpereau des jardins, le pouillot véloce, des grives (draine et musicienne), diverses mésanges et fauvettes. Dans les milieux plus ouverts ou broussailleux se remarquent l'alouette des champs, la linotte mélodieuse, le bruant jaune...
Les zones humides sont fréquentées par la salamandre tachetée, inscrite sur la liste rouge régionale des amphibiens et par la musaraigne aquatique, protégée en France et inscrite sur la liste rouge régionale des mammifères.
Le site présente également un intérêt archéologique, un bel éperon barré se remarquant au dessus de la Combe de Sincéron et un intérêt ethnologique (calvaire).
La ZNIEFF est dans un bon état général.
La délimitation de la ZNIEFF suit les limites des milieux floristiquement et faunistiquement les plus riches de deux vallons encaissés proches, à l'est et à l'ouest de Vesaignes-sur-Marne.
