A、DNA分子发生碱基对的增添、缺失或改变属于基因突变，可发生在细胞有丝分裂的间期和减数第一次分裂的间期，A错误；
B、着丝粒分开后形成的两条染色体不能移向两极，既可发生在有丝分裂后期，也可发生在减数第二次分裂后期，B错误；
C、非同源染色体之间交换一部分片段属于染色体结构变异中的易位，可发生在有丝分裂和减数分裂过程中，C错误；
D、非同源染色体上非等位基因之间的自由组合属于基因重组，只有在减数第一次分裂后期，同源染色体分离的同时，非同源染色体之间发生自由组合，D正确．
故选：D．
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