Mülheim liegt im Schnittpunkt dreier Naturräume, der Westfälische Bucht, dem Niederrheinischen Tiefland und dem Bergischen Land. Während sich die Westfälische Bucht mit dem Westenhellweg nur schwer anhand der Oberflächenformen abgrenzen lässt, sind das Niederrheinische Tiefland und das Bergische Land deutlich in der Landschaft erkennbar.
So fällt die Geländehöhe von ca. 130 m ü. NN im Bereich des Heißener Wasserturmes auf unter 30 m ü. NN im Styrumer Ruhrbogen. Mit der markanten Felsformation des Kahlenberghanges streichen die Schichten des Oberkarbons in Höhe der südlichen Innenstadt unter die jüngeren Kreideformationen und zeichnen mit dem weitsichtbaren Prallhang einen der nordwestlichsten Felsstandorte Mitteleuropas. Die breite Styrumer Ruhraue weist landschaftlich deutliche Züge des Niederrheinischen Tieflandes auf, wozu neben den reliktartig erhaltenden Altarmrinnen ebenso die das Landschaftsbild prägende Grünlandnutzung mit den alte Kopfbaum- und Silberweiden-Beständen beitragen. Dem Abstiegfall der Geländehöhe folgen auch die klimatischen Verhältnisse Mülheims, die z.B. bei den Niederschlägen von ca. 700 mm/a in der Styrumer Ruhraue auf bis zu 900 mm/a an der Stadtgrenze MH-Heißen / E-Fulerum ansteigen, während das Tagesmittel der Jahresdurchschnittstemperatur von 9,5°C auf 8°C absinkt.
Diese landschaftliche Vielfalt auf kleinem Raum wirkt sich auch auf die Pflanzenwelt, vor allem auf die räumliche Verbreitung einzelner Arten aus. So erreichen einige in NRW in den Mittelgebirgen verbreitete Sippen wie die Weiße Hainsimse (Luzula luzuloides), die Wald-Hainsimse (L. sylvatica), der Zerbrechliche Blasenfarn (Cystopteris fragilis), die Hirschzunge (Asplenium scolopendrium), der Buchen- und der Bergfarn (Oreopteris Thelypteris limbosperma, Thelypteris phegopteris) sowie der Europäische Siebenstern (Trientalis europaea) im Bereich des Stadtgebietes von Mülheim den Nord(west)rand ihres mitteleuropäischen Teilareals. Andere Pflanzenarten mit Schwerpunktvorkommen im Rheintal (sog. Stromtalpflanzen) dringen im unteren Ruhrtal bis in die Saarner und Mintarder Aue vor. Hierzu zählen z.B. der Wiesen-Alant (Inula britannica), der Feld-Mannstreu (Eryngium campestre), des Echte Labkraut (Galium verum) sowie eine Reihe von Wasserpflanzen wie z.B. die Große Teichlinse (Spirodela polyrhiza) oder die Dreifurchige Wasserlinse (Lemna trisulca) und das Spiegel-Laichkraut (Potamogeton lucens).
Die lösbedeckten Höhen des Westen Hellweges, die im Stadtgebiet durch die überwiegend landwirtschaftlich genutzten Flächen der Mendener Höhen, der Winkhauser Bachtäler sowie des Rumbachtales geprägt sind, besitzen mit z.T. größeren Vorkommen des Riesen-Schachtelhalm (Equisetum telmateia) sowie des in der Westfälischen Bucht als verschollen geltenden Dornigen Schildfarns (Polystichum aculeatum) weitere bemerkenswerte Florenelemente.
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