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Surplombant le nord de la vallée châtillonnaise, souvent cultivé, la cuesta châtillonnaise recoupe des niveaux de marnes et de calcaires marneux du Jurassique supérieur (oxfordien et Kimmeridgien). Ce coteau pentu, exposé au sud, est couvert de boisement, de vignes et de friches.
Le coteau de Marcenay surplombe l'étang du même nom; il offre de beaux exemples de pelouses sur marnes avec deux types différents identifiés :
- des pelouse sur sol marneux à Chlorette (Blackstonia perfoliata) et Brome dressé (Bromopsis erecta), humides en hivers et sèches en été, relevant de l'association végétale particulière du Blackstonio perfoliatae - Brometum erecti.
- des pelouse mi-sèches sur calcaires marneux à Fétuque de Leman (Festuca lemanii) et Brome dressé (Bromopsis erecta) relevant de l'association végétale du Festuco lemanii - Brometum erecti
Des ourlets herbacés dérivés de ces pelouses ponctuent les milieux ouverts; ils sont dominés par le Brachypode pennée (Brachypodium pinnatum) et relèves souvent de l'association du Coronillo variae-Brachypodietum pinnati).
Dans ces milieux, une flore déterminante pour l'inventaire ZNIEFF a été observée, notamment :
- l'Orobanche d'Alsace (Orobanche alsatica), plante des pelouses sèches, exceptionnelle en Bourgogne,
- la Marguerite de Saint-Michel (Aster amellus), plante des pelouses et des lisières sèches, très rare en Bourgogne, protégée réglementairement et inscrite au livre rouge de la flore menacée de France,
- l'Orchis odorant (Gymnadenia odoratissima), orchidée des pelouses et des marais, rarissime en Bourgogne,
- la Gentianelle ciliée (Gentianopsis ciliata).
L'ensemble est malheureusement gagné par la pinède et par le défrichement des coteaux au bénéfice de la vigne. L’extension des plantations de résineux et de vigne est défavorable à ce patrimoine naturel, alors qu’une reprise des anciennes pratiques de pâturage extensif serait propice.
Le périmètre comprend le coteau de Marcenay, principalement boisé, avec des secteurs de versants pentus sujets à une forte érosion. Ces zones écorchées sont des habitats d'espèces végétales déterminantes pour l'inventaire ZNIEFF. La zone exclut l'étang de Marcenay qui a sa propre dynamique écologique.
