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La ZNIEFF comprenant les tourbières des Vieux Moulins de Thilay et le ruisseau de Marotel est située à la frontière franco-belge, dans la forêt Domaniale de Château-Régnault. Elle est constituée de deux zones proches, le secteur sud ayant été intégré à la ZNIEFF en 1999. Elle a été très modifiée depuis sa création en 1981 (extension et forte réduction). Celle-ci est incluse dans la vaste ZNIEFF II du massif forestier du Plateau Ardennais. Les conditions écologiques particulières du lieu (sol acide, sources, climat froid et humide) permettent le développement d'une végétation très caractéristique de ce type de milieu :
- chênaie sessiliflore à luzule blanche et sceau de Salomon verticillé soulignant le caractère montagnard du milieu, avec plusieurs variantes, à molinie dans les secteurs les plus humides et à canche flexueuse dans les endroits les plus secs.
- aulnaie-boulaie à sphaignes dans les zones de sources,
- lande à callune et lande tourbeuse humide à bruyère à quatre angles (inscrite sur la liste rouge régionale), canneberge, molinie bleue, myrtille, bistorte (plante-hôte d'un papillon rare présent sur le site, le cuivré de la bistorte),
- tourbière à sphaignes avec la laîche vulgaire, laîche à bec, laîche vert-jaunâtre, linaigrette vaginée...
- des petits fossés à sphaignes, laîche étoilée et laîche blanchâtre.
Le long des banquettes des ruisseaux (très acides) se remarquent l'osmonde royale, protégée au niveau régional et le piment royal inscrit sur la liste rouge des végétaux de Champagne-Ardenne. Une très grosse population de lycopode en massue (protégé et inscrit sur la liste rouge) prospère dans un série de petites clairières à callune et le long d'un chemin d'exploitation (qui a malheureusement été en partie nivelé en septembre 1998 par des engins forestiers). Quelques petites mares se remarquent çà et là. Une zone d'épicéas assez vaste se rencontre également sur le territoire de la ZNIEFF et abrite le grosbec casse-noyaux, le beccroisé des sapins et le cassenoix moucheté, nicheur très rare, inscrit sur la liste rouge des oiseaux de Champagne-Ardenne.
L'entomofaune est très intéressante et renferment quelques raretés, notamment deux libellules inscrites sur la liste rouge des Odonates de Champagne-Ardenne, le cordulégastre annelé et le sympétrum noir ainsi que deux papillons (inscrits sur la liste rouge régionale des Lépidoptères), le nacré de la sanguisorbe et le cuivré de la bistorte, protégé depuis 1993, en danger dans la plupart des pays d'Europe, en déclin en Champagne-Ardenne et figurant dans le livre rouge de la faune menacée en France (dans la catégorie "en danger de disparition"). On peut également y rencontrer certains amphibiens tels que la salamandre tachetée (inscrite sur la liste rouge régionale dans la catégorie "en déclin") et des reptiles avec notamment la vipère péliade, partiellement protégée en France, inscrite à l'annexe III de la convention de Berne, dans le livre rouge de la faune menacée en France et dans la liste rouge des reptiles de Champagne-Ardenne (catégorie "en danger"). Le castor a été vu à plusieurs reprises (venu probalement de Belgique)..
La ZNIEFF est incluse dans la Z.I.C.O. CA 01 (plateau ardennais) de la directive Oiseaux et a été proposée, avec trois autres zones, dans le cadre de la Directive Habitats (site n°28 : tourbières du plateau ardennais). Le site est encore en bon état.
Une toute petite partie de la ZNIEFF est limitée à la frontière belge, le reste de la délimitation suit les limites naturelles des deux zones les plus riches de ce petit secteur.
