回答:
当時は気づいていませんでしたが、ファイルがシンボリックリンクであるためエラーが発生していました。
$ ls -l /etc/rc.local
lrwxrwxrwx. 1 root root 13 Feb 16 2012 /etc/rc.local -> rc.d/rc.local
奇妙なことに、CentOS 5のlsattrはシンボリックリンクで動作します。
chattr
考えると、シンボリックリンク自体ではなく、シンボリックリンクのターゲットで操作を実行する必要がありますsudo chattr +i rc.d/rc.local
。