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Zones naturelles d'expansion du Loir (ancien cours du Loir comblé d'alluvions quaternaires), les prairies humides de Varennes, inondées l'hiver voire au début du printemps, représentent un grand ensemble homogène à fort caractère naturel.
Il s'agit de prairies de bocage où se pratique encore un pâturage extensif, avec çà-et là des fourrés de saules et des roselières. Peu artificialisées, elles accueillent une avifaune riche et variée, de nicheurs ou de migrateurs avec entre autre, le Chevalier guignette (Actitis hypoleucos) et la Bécassine des marais (Gallinago gallinago).
La richesse floristique est évidente avec la présence de trois plantes protégées au niveau national: la grande Douve (Ranunculus lingua), La Renoncule à feuille d'Ophioglosse (Ranunculus ophioglossifolius) et la Gratiole officinale (Gratiola officinalis). S'y trouve également de belles populations d'Orchidacées: l'Orchis élevé (Dactylorhiza elata subsp. sesquipedalis), l'Orchis incarnat (Orchis incarnata), ainsi qu'une fougère typique de ces milieux: l'Ophioglosse commun (Ophioglossum vulgatum).
L'intérêt ichtyologique du site est la présence de frayère à Brochets (Esox lucius).
En 2019, le périmètre de la ZNIEFF a été étendu pour intégrer l'unique site sarthois de nidification de la Cigogne blanche.
Les zones présentant encore un grand intérêt biologique (richesse de la flore, de l'avifaune, grande homogénéité des habitats encore intacts) étant donné leur faible degré d'artificialisation sont comprises entre la D30 et le lieu dit Bas-Montsureau ;entre le ruisseau du vieux moulin, le Loir et le ruisseau de Guichard. Le degré d'anthropisation augmentant en s'éloignant du Loir vers la D305, la limite nord s'établit au ruisseau de la Fontaine d'enfer. Pour des raisons similaires, malgrès des espèces et des habitats d'une moindre rareté; une partie du bassin versant est intégré en ZNIEFF entre les lieux dits la Fourcherie et Bas-Montsureau.
