Eu tentei chroot para o diretório mesclado. O resultado foi exatamente o esperado: eu tinha o rw rootfs, a única coisa que sentia falta eram sistemas de arquivos virtuais do kernel. Então, depois de montar a sobreposição, fiz o seguinte:
TARGETDIR="/tmp/usbstick/merged"
mount -t proc proc $TARGETDIR/proc
mount -t sysfs sysfs $TARGETDIR/sys
mount -t devtmpfs devtmpfs $TARGETDIR/dev
mount -t tmpfs tmpfs $TARGETDIR/dev/shm
mount -t devpts devpts $TARGETDIR/dev/pts
E, em seguida, vinculou o mtab:
chroot $TARGETDIR rm /etc/mtab 2> /dev/null
chroot $TARGETDIR ln -s /proc/mounts /etc/mtab
chroot $TARGETDIR