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Entre Hyèvre-Paroisse et Deluz, le Doubs emprunte une vallée relativement étroite (le lit majeur n'excède pas 500 m de large), bordée, au nord, par les Avants-Monts et, au sud, par le Faisceau bisontin et le Lomont. Les versants sont le plus souvent recouverts d'une forêt de feuillus entrecoupée par endroits de barres rocheuses et d'éboulis et présentent une nette opposition du fait de l'orientation générale de la vallée.
L'exposition, la nature du substrat (roche calcaire, formations argileuses) et le degré d'hydromorphie conditionne la venue de plusieurs types forestiers. Sur l'ubac, l'érablière à scolopendre souligne la base des falaises et les secteurs confinés sur éboulis grossiers. Elle cotoie la chênaie-charmaie calcicole* à érables, tilleuls et fougères et, sur des terrains mieux stabilisés, la chênaie-charmaie calcicole* à hêtre et dentaire pennée. Sur l'adret, ces formations sont remplacées respectivement par la tiliaie-érablaie (éboulis grossiers sous barres rocheuses), la chênaie-charmaie calcicole* thermophile* (éboulis plus stabilisés) et la chênaie-charmaie calcicole* mésophile* typique à fraîche (bas de versant). En haut de versant, les rebords de corniche ensoleillés sont occupés par la chênaie pubescente, groupement d'affinité méditerranéenne relativement rare dans la région.
Des placages d'argile hébergent localement une chênaie-charmaie neutrophile* plus ou moins fraîche à hygrophile*. Elle assure le contact, en fond de vallée, avec les formations forestières hygrophiles* inondables : l'aulnaie-frênaie sur alluvions en retrait des berges et la saulaie riveraine, souvent en mélange avec le peuplier qui souligne de façon plus ou moins continue les berges du Doubs. L'ensemble de ces formations forestières offre un grand nombre d'essences feuillues (érables sycomore, plane et champêtre, orme des montagnes, tilleul, chêne sessile, chêne pédonculé, chêne pubescent, charme, merisier, frêne, hêtre...), auquel fait écho une végétation arbustive et herbacée ainsi qu'une faune riches et diversifiées.
Avec la forêt, un certain nombre de milieux herbacés ont élu domicile sur les versants, les éboulis et les rebords de corniche bien exposés : pelouses xériques* à anthyllide des montagnes, pelouse thermophile à brome dressé et mélique ciliée, groupements d'éboulis... Le substrat calcaire, le sol superficiel, l'exposition chaude et l'absence totale de fertilisation permettent alors la venue, sur des superficies restreintes, d'une flore et d'une faune remarquables. Il s'agit notamment de la primevère oreilles d'ours, protégée au niveau national, de l'anthyllide des montagnes, de l'oeillet bleuâtre, du daphné des Alpes et de l'orlaya à grandes fleurs, bénéficiant d'une protection intégrale sur le territoire franc-comtois, du lézard vert et de la couleuvre d'esculape, en limite nord de répartition géographique et protégés au niveau national ou encore du crapaud sonneur à ventre jaune également protégé au niveau national.
Alors que les falaises permettent la nidification d'oiseaux adaptés à ces milieux rupestres (faucon pélerin, grand corbeau...), les cavités souterraines (grottes, anciennes mines) des massifs calcaires abritent une importante population de chauve-souris qui trouvent leur nourriture (insectes exclusivement) dans la vallée. 18 espèces, toutes protégées sur le territoire national, sont inventoriées sur le site, 9 étant citées d'intérêt communautaire. L'indice chiroptérologique est de 238.
La rivière, située au 8ème niveau de référence typologique de Verneaux, abrite 31 espèces de poissons dont 3 d'intérêt communautaire. Cet effectif est l'un des plus élevés du réseau hydrographique français. Elle est jalonnée par l'arrivée de petites émergences du karst dont la fraîcheur de l'eau constitue un important tampon thermique et un facteur de diversité. La qualité de l'eau correspond, par ailleurs, aux objectifs fixés (classe 1B et 2). Les valeurs d'indice biologique sont les plus élevés de l'axe Montbéliard-Besançon et témoignent des potentialités écologiques originelles du cours d'eau.
La nature karstique des plateaux entaillés par la rivière rend celle-ci très vulnérable aux effluents d'origine parfois lointaine et aux épandages de lisier.
Les modifications des pratiques agricoles se traduisent par l'abandon des terres les moins rentables, notamment les pelouses mésophiles* et xéro-thermophiles* autrefois soumises à un pâturage extensif ou à une fauche plus ou moins tardive. L'enfrichement progressif de ces milieux remarquables conduit à terme à la disparition de la faune et de la flore associées.
Enfin, il convient d'observer qu'un certain nombre de milieux naturels particuliers et localisés ont fait l'objet d'une protection grâce à la mise en place d'arrêtés de protection de biotopes (falaises, mines et grottes).
