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La Combe de Vauguefroy est très représentative de la végétation du plateau de Langres. Un marais tufeux, entièrement cerné par la forêt en occupe le fond, dans la zone la plus sèche une pelouse relictuelle subsiste. Elle fait partie de la grande ZNIEFF II de la Forêt d'Arc et de Chateauvillain.
Les types forestiers sont variés, souvent en fonction de l'orientation de la pente : hêtraie froide, hêtraie xérophile, hêtraie neutrophile, chênaies-charmaies, aulnaie marécageuse, etc. Le marais, d'une superficie de 2 hectares environ, se divise en deux parties : un marais de pente tufeux limité en étendue (avec schoenaie, cariçaie, moliniaie, fruticée linéaire et lisière à fougère-aigle) et surtout un marais alluvial de vallon très tufeux (nombreux barrages de tuf et surface importante d'encroutements), inondé une grande partie de l'année (avec prédominance des cariçaies et une phragmitaie peu étendue). Une saulaie basse à saule cendré se situe au bord nord du marais. La végétation, très caractéristique, renferme plus d'une dizaine d'espèces protégées en France ou en Champagne-Ardenne et huit espèces inscrites sur la liste rouge régionale des espèces végétales en voie de raréfaction ou de disparition : le choin ferrugineux et l'aster amelle protégés à l'échelon national, ensuite, au niveau du marais, la fougère (ou thélyptéris) des marais qui possède ici une de ses plus belles populations pour le plateau de Langres, la linaigrette à feuilles larges, le séneçon à feuilles spatulées, très rare en Haute-Marne, la parnassie des marais qui se maintient dans la région mais est en voie de disparition presque complète ailleurs en Champagne-Ardenne, une orchidée protégée pour la flore forestière, la céphalanthère à feuilles en épée et dans les zones plus sèches de pelouse , le thésion des Alpes (présent seulement en Haute-Marne pour la région Champagne-Ardenne)), la grande gentiane jaune et la violette des sables.
Différents reptiles, batraciens, oiseaux (passereaux, pics, rapaces, etc.) et mammifères (cerf, sangler, martre) fréquentent le site. Les insectes renferment des espèces rares, d'origine montagnarde comme une partie de la flore, avec par exemple le cordulégastre bidenté, rare dans toute la France et le cordulégastre annelé.
Le marais est dans un bon état de conservation, seule la bordure sud en aval de celui-ci a été perturbée par des plantations (de résineux et d'aulne) et par un assèchement partiel. Il y a eu également un recreusement excessif du lit du ruisseau vers la sortie du marais, accompagné d'un éventrement du barrage de tuf aval.
Les limites suivent les limites naturelles de la zone floristiquement la plus riche.
