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Les forêts d'Arc et de Châteauvillain constituent l'un des massifs forestiers les plus vastes du département. Par son étendue, son caractère typique, la richesse de sa faune et de sa flore, ce massif se range parmi les sites majeurs de Haute-Marne et constitue une vaste ZNIEFF de type 2 de 15 210 hectares. Un petit secteur (Combe de Vauguefroy) a été proposé pour intégrer le réseau Natura 2000 (Directive Habitats)
Etabli sur les plateaux de calcaires durs du centre du département, le massif d'Arc-en-Barrois et Châteauvillain est presque totalement dépourvu de secteurs humides (quelques hectares de marais). Les types forestiers sont très typiques : chênaie-charmaie-hêtraie calcicole à mésotrophe, hêtraie xérophile, chênaie pubescente, chênaie-frênaie de fond de vallon....
L'originalité floristique du massif est constitué par ses clairières : l'action du grand gibier y maintient une flore héliophile habituellement localisée le long des chemins forestiers.
La flore renferme de nombreuses espèces végétales rares à l'échelon régional, national ou européen, protégées en Champagne-Ardenne et en France, avec, pour certaines, des populations importantes : la nigelle des champs, messicole très rare, inscrite sur la liste rouge nationale des espèces végétales vulnérables, l'alisier de Fontainebleau, l'aster amelle, la gagée jaune (importante population au niveau du Val Marnay au sud-ouest de Blessonville) et le choin ferrugineux protégés en France, ainsi que tout un cortège de plantes inscrites sur la liste rouge régionale ou/et protégées en Champagne-Ardenne. Il s'agit de la phalangère à fleurs de lis, de l'aconit napel (rare et en régression dans une grande partie de la France), du thélyptéris des marais (fougère assez rare et sporadique, menacée par les drainages et la destruction des zones humides), de deux orchidées, les céphalanthères rouge et à feuilles en épée, de l'euphorbe à feuilles de pin (endémique de l'Est et du Bassin Parisien), de la jusquiame noire, rare dans la région et en forte régression, de la parnassie des marais et de la linaigrette à larges feuilles (rares en Champagne-Ardenne sauf sur le plateau de Langres où les deux espèces se maintiennent), du séséli des steppes (très raréfié mais encore présent dans certaines clairières du massif forestier), du thésion des Alpes (espèce montagnarde, représenté dans la région dans seulement certaines stations haut-marnaises), de la cynoglosse d'Allemagne (espèce des montagnes d'Europe centrale, et qui possède en Forêt d'Arc la plus belle station de la région), etc.
La faune recèle aussi des richesses exceptionnelles. L'entomofaune, riche et diversifiée, souvent représentée par de grosses populations, présente ici la même tonalité biogéographique montagnarde qu'une partie de la flore, avec trois espèces de papillons (nacré de la sanguisorbe, damier noir et fadet de la mélique) et un criquet chanteur (le criquet à petites ailes) inscrits sur les listes rouges de Champagne-Ardenne.
Les batraciens, avec la rainette verte, protégée nationalement depuis 1993, rare en France et inscrite sur le livre rouge des espèces (catégorie vulnérable) et en Europe (convention de Berne et Directive-Habitats), les reptiles, avec la couleuvre verte et jaune, inscrite sur la liste rouge régionale, sont également bien représentés.
Le massif permet l'alimentation (ou la reproduction) de nombreuses espèces d'oiseaux, avec 38 espèces rares et pour la plupart protégées en France et en Europe et en particulier de plusieurs rapaces (milans, busards, faucons, etc.), pics, de nombreux passereaux et de la gélinotte des bois située ici à sa limite de répartition.
C'est enfin un site fondamental pour les grands mammifères (cerf avec la plus grosse population du département, sangliers et chevreuils) et les carnivores (chat sauvage, putois, martre, hermine, fouine, blaireau,...). Deux espèces de chauve-souris peuvent également s'y rencontrer : le grand rhinolophe et le petit rhinolophe, protégés en France (depuis 1981) et en Europe (convention de Berne et directive-Habitats), inscrits sur la liste rouge des espèces vulnérables en France et sur la liste rouge des espèces en danger en Champagne-Ardenne.
Les forêts d'Arc et de Châteauvillain sont riches en vestiges préhistoriques de grand intérêt : voie romaine, minières d'ocre gallo-romaines, dolmens, etc. Plusieurs sites présentent aussi un intérêt géomorphologique : lapiaz, mardelles, vallées sèches.
La ZNIEFF est dans un bon état général.
Les limites correspondent pour l'essentiel à celles du massif forestier (avec certaines cultures et prairies enclavées très ponctuelles). Elle est scindée en deux parties inégales par la haute vallée de l'Aujon, également en ZNIEFF.
