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La ZNIEFF du marais de Belvau à Villars-Santenoge occupe un vallon étroit du Plateau de Langres et la base du versant exposé nord en lisière de la forêt feuillue qui l'enserre.
Un très beau marais forestier non perturbé, l'un des plus typiques de Haute-Marne, constitue l'essentiel de la végétation de la zone. Couvert d'une végétation palustre dense, localement envahie par les bourdaines, il présente une grande diversité de groupements végétaux. Sa bordure est constituée par une saulaie et par une frange de trembles et de saules. La végétation est très caractéristique et bien adaptée aux conditions particulières du marais tufeux : une trentaine d'espèces s'y rencontrent dont une protégée au plan national, le choin ferrugineux et quatre en Champagne-Ardenne, le saule rampant, la swertie pérenne, la linaigrette à larges feuilles et l'aconit napel.
La faune contient des richesses remarquables et notamment des libellules avec l'agrion de Mercure protégé sur le plan national et au niveau européen (Convention de Berne et Directive-Habitats) et inscrit sur la liste rouge des espèces animales vulnérables en France, le cordulégastre bidenté, espèce montagnarde, rare dans toute la France, le cordulégastre annelé, l'orthétrum bleuissant et la cordulie à taches jaunes, tous étant inscrits sur la liste rouge des Odonates en Champagne-Ardenne.
Le marais de Belvau figure parmi les marais du secteur les mieux conservés et les plus paysagers. Cette ZNIEFF fait partie de la grande ZNIEFF de type II de la haute vallée de l'Ource et de ses affluents.
La délimitation correspond aux limites de la zone marécageuse située en fond de vallon.
