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柏林湖国家湿地公园坐落在龙门山北东向华夏式构造体系之中,位于摩天岭构造带南侧和米仓上构造带西边,其地质构造呈北东走向,深入两构造带之间。该区域地层主要由白垩系下统城墙岩群构成,由侏罗系沉积后的红色碎屑岩层构成,包括砾岩、砂岩和泥岩的互层,平均厚度大约1300米,岩相和岩性变化丰富。
土壤类型多样,共有4个土类和7个亚类。林业用地土壤主要包括紫色土、山地黄壤和新冲击土。紫色土主要发育在紫色母岩上,土壤层次较浅,质地以中壤和重壤为主,酸碱度多为微酸性至微碱性,富含N、P、K元素,保水保肥能力强,主要分布在海拔700米以上的地区。山地黄壤由砂岩和页岩石形成,土壤质地有沙壤和粘壤,主要分布在海拔700米以上的区域。新冲击土则主要分布在沿河两岸,海拔一般在300-500米,土层深厚且肥沃。
气候方面,该公园属于*带季风性湿润气候,四季分明,冬春季节多风,夏秋湿润,冬季温暖,夏季炎热,秋季凉爽,降雨集中。年平均气温17.0℃,8月日照时数最多,12月最少,年平均日照数1370.0小时,太阳辐射总量年均91.67cal/cm²。湿地公园内年平均相对湿度约为70%,冬春干燥,全年降雨量平均812.9毫米,其中3-6月降雨量为68.1毫米,蒸发量年均1499毫米,3-6月蒸发量为162.3毫米。
水文特征上,柏林湖流域面积达420平方千米,集雨面积320平方千米,总蓄水提水能力约3亿立方米,一般年份总蓄水量约为2.8亿立方米。湿地公园内的水量随季节变化,但波动不大。7-10月雨水增多,水位有所升高,枯水期和丰水期水位相差3-4米,公园在丰水季节无洪水灾害。