Pays de la forêt rocheuse, la riche mosaïque des milieux naturels de Chartreuse peut être résumée en quatre grands types:
- Les forêts: dominées très largement par le chêne pubescent et plus localement par le charme ou le buis sur le piémont de Chartreuse, elles passent au cœur du massif à de belles hêtraies-sapinières riches en fougères entrecoupées d'érablaies de ravins abritant souvent de belle flore (Campanule à larges feuilles, Lunaire vivace). Avec l'altitude, le hêtre disparaît et les conifères dominent, en particulier l'épicéa formant des pessières largement favorisées par l'exploitation humaine (Aulp du Seuil). C'est le royaume d'oiseaux tels que la gélinotte des bois, le Pic noir, le Tétras lyre, les chouettes forestières (Chevèchette et Tengmalm). Enfin, sur les hautes crêtes ventées, seules persistent des pinèdes clairsemées de Pin à crochet sur calcaire.
- Les prairies et pelouses : à l'exception de petits secteurs très minéraux ou fortement ventés, tous les milieux herbacés de Chartreuse ont été créés par défrichement des forêts originelles par l'homme dès le Néolithique. Pelouses sèches, pâturages, prairies de fauche et alpages entretiennent ainsi une biodiversité menacée par la déprise agricole et le retour naturel de la forêt. Ces milieux concentrent l'essentiel de la cinquantaine d'espèces d'orchidées dont le magnifique Sabot de Vénus facile à observer en Chartreuse fin mai-début juin.
- Torrents et zones humides: la plupart des torrents de Chartreuse vite encaissés dans de profondes gorges sont issus ou alimentés par des sources jaillissantes de porches calcaires (émergences karstiques). Les eaux fraîches et souvent claires fréquentées par le cincle plongeur et le martin pêcheur permettent la présence de truites et de chabots. Bien que l'étendue des calcaires et l'importance des pentes ne soient pas favorables au développement de grandes zones humides, la Chartreuse renferment une centaine de petites zones humides (marais et prairies humides, tourbières alcalines) renfermant l'essentiel des 86 plantes protégées du Parc. Les plus grandes issues du surcreusement glaciaire sont réparties à l'extérieur du massif (tourbière de l'Herrétang). La préservation des zones humides, milieux riches souvent menacés, et le maintien de la qualité des cours d'eau constituent un enjeu important du Parc en terme de développement durable.
- Les milieux rocheux : qu'ils soient verticaux (falaise), en pentes (éboulis) ou presque horizontaux (lapiés), ils sont presque tous constitués de calcaire massif d'origine marine. Une flore particulière dont les joyaux sont la vulnéraire des Chartreux (un millepertuis), la potentille luisante, l'orpin rose et la primevère oreille d'ours ainsi que des oiseaux remarquables, hibou grand duc, aigle royal, faucon pèlerin, tichodrome échelette, chocard, grand corbeau vivent dans ces milieux bien préservés.
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