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La ZNIEFF de Vermenon est située au fond de la combe du même nom, orientée au nord-ouest sur le territoire de Villars-Santenoge. Elle fait partie de la grande ZNIEFF de type II de la haute vallée de l'Ource et de ses affluents.
Un marais tufeux typique du plateau de Langres, très humide et entièrement cerné par la forêt, en occupe l'amont, depuis les sources jusqu'à la digue d'un ancien étang ; localement une petite tufière forme des vasques à Chara et des entablements caractéristiques ; une friche marécageuse issue d'une tentative de mise en culture en aval du secteur a été retirée de la ZNIEFF suite à des drainages et des labours en 1996.
Le marais de Vermenon présente une grande diversité de milieux, avec une dominance de la schoenaie sous ses différentes formes : schoenaie à swertie des marais très abondante (espèce préalpine rare et très localisée en plaine, protégée au niveau régional et inscrite sur la liste rouge des végétaux de Champagne-Ardenne) dans les zones mouillées à eau courante, schoenaie discontinue des entablements rocheux, schoenaie rase à choin ferrugineux (protégé en France et inscrit sur la liste rouge régionale), schoenaie pionnière à linaigrette à feuilles larges (protection et liste rouge régionales), cariçaie à laîche à bec dans les chenaux, grand développement de la magnocariçaie à laîche stricte en mosaïque avec la roselière à phragmite parfois très dense, moliniaie à renoncule à segments étroits (protection régionale), saulaie basse discontinue avec une lisière nette à aconit napel (protégée en Champagne-Ardenne) et ourlet forestier à allure primaire.
En tout, une dizaine d'espèces végétales sont protégées au niveau national ou régional et 11 sont inscrites sur la liste rouges des végétaux de Champagne- Ardenne, avec notamment une fougère, l'ophioglosse vulgaire, cinq orchidées dont l'orchis négligé située à sa limite de répartition orientale, présente seulement dans trois stations haut-marnaises et en voie de régression rapide dans toute la Champagne, l'orchis de Traunsteiner, espèce nord-préalpine, à caractère strictement montagnard, rare en France et localisée essentiellement, pour le plateau de Langres, dans des vallons froids et humides, etc.
L'entomofaune est très riche et variée avec 25 espèces différentes, dont une dizaine sont rares ou en régression : l'agrion de Mercure, libellule protégée en France depuis 1993, inscrite sur les listes internationales de la convention de Berne et de la directive Habitats et sur la liste rouge des insectes de France (en danger de disparition totale dans la moitié nord de la France), les cordulégastres annelé et bidenté, espèces montagnardes rares en plaine, des criquets avec le conocéphale de Latreille et le criquet des montagnes et un papillon le nacré de la sanguisorbe ou ino, toutes ces espèces étant inscrites sur les listes rouges régionales.
Le site attire de nombreux oiseaux à la recherche de nourriture ou de milieux propices à la nidification et notamment des rapaces (milans, autours, buses) et certains passereaux (traquet pâtre, pie-grièche écorcheur, hirondelle...).
Ce marais, très paysager, est l'un des plus remarquables du plateau de Langres.
La délimitation correspond aux limites de la zone marécageuse qui englobe le marais proprement dit et s'arrète aux environs de la digue de l'ancien étang.
