А если тест проводить напрямую с Apache?
Запись на какой носитель показывает gstat? На ramdisk или hdd?
Можно попробовать подсмотреть что и куда он пишет (fstat или lsof).
Можно проверить на последней версии nginx (nginx-devel в портах).
Ну и последний вариант - перекомпилировать nginx с debug, включить дебаг логи и посмотреть что происходит при аплоаде.