A、水平面上加速行驶的汽车，由于重力势能不变，而动能增加，故机械能总量增加；故A错误；
B、在空中匀速下降的直升飞机，由于重力势能减小，动能不变，故机械能减小；故B错误；
C、被匀速拉上坡的木箱，由于动能不变，重力势能增大，故总机械能增大；故C错误；
D、在空中自由下落的小球，由于只有重力做功，机械能守恒；故D正确；
故选：D．