Einen besonderen Charakter des NSG „Marschallshagen und Nonnenholz mit oberem Altenautal“ machen die grünlandgeprägten Bachtäler, insbesondere das Tal der oberen Altenau, aus. Das Altenautal durchzieht als schmales Band die bewaldeten Höhen und teilt das Waldgebiet. So entstehen Biotopkomplexe aus Wald und Grünland mit einer deutlich erhöhten Lebensraum- und Artenvielfalt. Zudem stellt die offene Altenau-Aue aus landschaftsästhetischer und kulturhistorischer Sicht ein bedeutendes Element des Schutzgebietes dar.
Die auf weiten Strecken naturnah in Schleifen ver- laufende Altenau ist Lebens- raum des Eisvogels, der z.B. bei der Nahrungssuche am Husener Stausee vom Wanderweg aus beobachtet werden kann. Besonders die Gewässerfauna ist aufgrund der Strukturvielfalt reich an Arten. Vorkommen von Groppe und Bachneunauge waren ein Grund für die Meldung als FFH-Gebiet.
Das Grünland entlang der Altenau ist stellenweise extensiv genutzt. Besonders im mittleren Talabschnitt und angrenzend entlang des Holtheimer Bachs, wo Verzahnungen von Extensivgrünland mit Brachestrukturen bestehen, liegen die Zentren der Artenvielfalt. Bemerkenswert sind z. B. die großen Vorkommen von Bachnelkenwurz, Sumpfgrashüpfer und Mädesüß-Perlmutterfalter.
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