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黑龙江茅兰沟国家级自然保护区主要保护对象是森林生态系统及栖息于此的中华秋沙鸭等珍稀濒危野生动物。
根据实地调查和文献记载，截止到2014年，保护区内有高等植物149科396属753种，其中苔藓植物48科80属103种，蕨类植物40种，隶属于12科24属，种子植物（裸子和被子植物）89科292属610种，并有国家二级重点保护野生植物7种。
黑龙江茅兰沟自然保护区截止到2014年，据调查统计，保护区有野生动物33目71科311种，其中鱼类7目12科44种，两栖类2目4科7种，爬行类动物3目4科10种，鸟类17目42科198种，哺乳类6目17科52种。保护区拥有国家一级重点保护动物8种，国家二级重点保护动物37种。