O --atime-preserve=replace restaura os tempos de acesso dos arquivos despejados após a leitura, o que significa que ele muda de um lado para outro enquanto --atime-preserve=system não define os horários. Provavelmente, apenas a mudança no registro de data e hora poderia fazer com que a comparação falhasse, enquanto com a opção noatime o tempo de acesso não é atualizado. Portanto, eu diria que isso não deveria fazer com que a comparação forneça resultados não confiáveis.
Por outro lado, não vejo como o último tempo de acesso atime afeta a comparação, já que incremen.c (GNU tar 1.30) manipula apenas o último horário de modificação de dados mtime e em compare.c:212-214 compara apenas mtime com tar_timespec_cmp() e, em seguida, chama report_difference() se o tempo de modificação for diferente. Eu não consigo encontrar essa comparação para outros timestamps ext4 em qualquer lugar.