Você está usando o nginx como um proxy reverso na frente de um servidor de aplicativos? Se assim for, o disco IO é provavelmente devido a uma falta de buffers upstream alocados em nginx (proxy, FastCGI, etc.).
Grep seus logs nginx para "uma resposta upstream é armazenada em buffer para um arquivo temporário" para ter certeza.
Se estiver em proxy reverso: link
Se estiver usando o FastCGI: link