El valor ecológico del área radica en la coexistencia de fragmentos de diferentes ecosistemas tales como el humedal, formado por el curso de agua denominado Estero Casablanca, las praderas de inundación y la zona estuarina, localizada en la desembocadura del Estero de Casablanca; las formaciones vegetacionales características del matorral esclerófico costero y del desierto costero; el ecosistema dunario y las numerosas especies en estado de conservación, entre éstas, Adesmia balsámica (VU); Calydorea xiphioides (EN); Pouteria splendens (EN); Alstroemeria pelegrina (VU); Equinopsis litoralis (NT); Basilichthys microlepidotus (VU); Cheirodon pisciculus (VU); Trichomycterus areolatus (VU); Bufo chilensis (VU); Sapo de cuatro ojos, Pleurodema thaul (NT); Caudiverbera caudiverbera (VU); Columba araucana (VU); Phalacrocorax bougainvillii (VU); Tachymenis chilensis (VU); Octodon lunatus (VU).
La presencia de aves migratorias en el Humedal de Tunquén entre primavera y verano, tales como Calidris bairdii y Larus pipixcan y Numenuis phaeopus, entre otras, es evidencia que este humedal es una ruta de aves migratorias provenientes del hemisferio norte y que visitan las costas de Chile para pasar el invierno boreal, actuando -este humedal- como corredor biológico, tanto a nivel del océano pacífico (corredor oceánico del Pacífico), donde el humedal Tunquén funciona como "nodo" o "vértice", como en el litoral central de Chile.
El Bosque y Matorral Esclerófilo (BME) chileno forma parte de uno de los 34 hotspots mundiales de biodiversidad, denominado Chilean Winter rainfall-Valdivian forest. Este hotspot, que abarca desde el Norte Chico hasta la Región de Los Ríos, incluyendo a la Isla de Juan Fernández, sólo se desarrolla en cinco lugares del planeta y destaca por su endemismo y vulnerabilidad.
Cabe destacar la singularidad paisajística del sector, el que presenta una conformación geomorfológica con terrazas de abrasión marina, terrazas aluviales, playa, lechos fluviales, acantilados y dunas, todo lo cual alberga una diversidad de ecosistemas que se caracteriza por una alta biodiversidad y un bajo nivel de intervención antrópica.
El Santuario de la Naturaleza Humedal de Tunquén tendrá los siguientes objetos de protección: las formaciones vegetacionales bosque esclerófilo costero y desierto costero; el sistema dunario; las especies de flora y fauna en estado de conservación y, en especial, la fauna íctica nativa, representada por las especies Bagre Chico (Trichomycterus areolatus), Pejerrey de Escama Chica (Basilichthys microlepidotus) y Pocha (Cheirodon pisciculus); el humedal, conformado por el estero Casablanca y su estuario, y los servicios ecosistémicos asociados; y la singularidad paisajística.
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