Faits:
A. La rive sud du lac de Neuchâtel ("Grande Cariçaie") figure sur différents inventaires fédéraux, sur celui des paysages, sites et monuments naturels depuis 1983, sur celui des réserves d'oiseaux d'eau et de migrateurs d'importance internationale et nationale depuis 1991, sur celui des zones alluviales d'importance nationale depuis 1992, sur celui des bas-marais d'importance nationale depuis 1994 et sur celui des sites marécageux d'une beauté particulière et d'importance nationale depuis 1996.
Depuis les années vingt (1920) jusqu'au début des années soixante (1960), des chalets de vacances ont été érigés par des personnes physiques au long de cette rive, sur le domaine des Etats de Vaud et de Fribourg, au bénéfice de "droits de superficie" (DDP) ou d'autorisations à bien plaire. Des plans d'extension cantonaux (PEC) et autres mesures ont ensuite été adoptés. Ces PEC prévoyaient des zones de protection des zones naturelles. Dans le périmètre de ces dernières, des zones de pavillons pour les chalets précités, soit des zones à bâtir adoptées avant l'entrée en vigueur de la loi fédérale du 22 juin 1979 sur l'aménagement du territoire (LAT; RS 700), ont été légalisées.
Les Conseils d'Etat de Fribourg et de Vaud ont conclu les 1er et 9 juin 1982 un "accord sur la protection de la rive sud du lac de Neuchâtel et des rives du lac de Morat", fondé sur un plan directeur proprement dit et sur un catalogue de mesures annexées. Cet accord (ci-après: le plan directeur de 1982) vise des buts variés (protection des zones naturelles, des eaux et des forêts, lutte contre l'érosion, gestion des circulations et des résidences secondaires notamment) et énonce de nombreuses mesures pour leur mise en oeuvre. L'annexe I prévoit notamment que la protection légale des zones naturelles de la rive sud du lac de Neuchâtel devra être assurée par leur affectation en zones protégées, selon les moyens définis par les législations cantonales. Par ailleurs, les baux des résidences secondaires sises dans les zones naturelles ne seront pas renouvelés à échéance. Le plan directeur de 1982 prévoit ainsi la suppression progressive, au fur et à mesure de la durée des autorisations d'utilisation du terrain public, de tous les chalets sis dans les zones naturelles.
B. Le Département cantonal vaudois de la sécurité et de l'environnement (ci-après: le Département cantonal) a mis à l'enquête publique, du 10 novembre au 11 décembre 2000, un projet de décision de classement (plan et règlement) des réserves naturelles de la rive sud du lac de Neuchâtel. Plus de 15'000 oppositions et remarques ont été enregistrées. Un projet de classement, respectivement de modification de décision de classement, de la réserve naturelle de Chevroux a été mis simultanément à l'enquête publique. Il a suscité plus de 5'000 oppositions et remarques.
Les 4 octobre 2001 et 25 mars 2002, le Département cantonal a levé les oppositions et rendu une "décision de classement des réserves naturelles de la rive sud du lac de Neuchâtel (communes d'Yverdon, Cheseaux-Noréaz, Yvonand, Chabrey, Champmartin et Cudrefin)". Le 4 octobre 2001 également, le département a rendu une "décision de classement de la réserve naturelle de Chevroux".
C. Les 15 octobre 2001 et 8 avril 2002, l'Association intercantonale des Trois-Lacs (ci-après: Aqua Nostra) a recouru au Département cantonal de l'intérieur contre les décisions précitées du Département cantonal relatives au classement des réserves naturelles de la rive sud du lac de Neuchâtel ainsi qu'au classement de la réserve naturelle de Chevroux. Le recours a été rejeté le 30 octobre 2008.
Aqua Nostra a porté sa cause devant le Tribunal cantonal du canton de Vaud (ci-après: le Tribunal cantonal), qui, par arrêt du 30 juillet 2010, a rejeté le recours, dans la mesure de sa recevabilité, et confirmé la décision du Département cantonal de l'intérieur du 30 octobre 2008.
D. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, Aqua Nostra demande au Tribunal fédéral de réformer l'arrêt du Tribunal cantonal du 30 juillet 2010 en ce sens que le plan de classement des réserves naturelles de la rive sud du lac de Neuchâtel et la modification du plan de classement de la réserve naturelle de Chevroux sont annulés. Subsidiairement, elle conclut à ce que l'arrêt attaqué soit annulé et le dossier de la cause renvoyé à l'autorité cantonale pour complément d'instruction et nouvelle décision. La recourante se plaint d'une mauvaise application du droit fédéral de l'aménagement du territoire et de la protection de l'environnement ainsi que d'une violation de son droit d'être entendue.
Le Tribunal cantonal s'en remet à l'appréciation du Tribunal fédéral quant à la recevabilité du recours et conclut à son rejet en se référant aux considérants de son arrêt. Le Service juridique et législatif du canton de Vaud, au nom du Département cantonal de la sécurité et de l'environnement ainsi que du Département de l'intérieur, renonce à déposer une réponse au recours. L'Association suisse pour la protection des oiseaux, Pro Natura Suisse, WWF Suisse, Pro Natura Vaud et WWF Vaud concluent à l'irrecevabilité du recours, subsidiairement à son rejet. Invité à se déterminer, l'Office fédéral de l'environnement estime que la décision de classement ne consacre pas de violation du droit fédéral de l'environnement. Les parties ont fait valoir leurs observations sur les déterminations de l'Office fédéral de l'environnement.
Par ordonnance du 18 octobre 2010, le Juge présidant de la Ire Cour de droit public a rejeté la requête d'effet suspensif de la recourante.
Considérant en droit:
1. Le recours est dirigé contre un arrêt rendu en dernière instance cantonale confirmant un plan de classement, soit un plan d'affectation au sens des art. 14 ss LAT. Il est dès lors en principe recevable comme recours en matière de droit public selon les art. 82 ss LTF et 34 al. 1 LAT, aucune des exceptions prévues à l'art. 83 LTF n'étant réalisée (cf. ATF 135 II 22 consid. 1.1 p. 24).
2. 2.1 En vertu de l'art. 89 al. 1 LTF, peut former un recours en matière de droit public quiconque est particulièrement atteint par la décision attaquée (let. b) et a un intérêt digne de protection à son annulation ou à sa modification (let. c). En matière de plans d'affectation, le recourant doit faire valoir la violation de dispositions qui tendent non seulement à la sauvegarde des intérêts de la collectivité mais aussi, si ce n'est principalement, à la protection de ses propres intérêts (ATF 114 Ia 378 consid. 4 p. 379); il doit en outre être personnellement touché par les effets prétendument illicites de la décision attaquée. Le droit de recours n'est ainsi reconnu en règle générale qu'au propriétaire d'un bien-fonds, pour se plaindre que la mise en vigueur du plan porte atteinte à ses droits constitutionnels en réduisant à néant ou en modifiant la portée de règles destinées notamment à protéger ses intérêts, ou en restreignant l'utilisation de son bien (cf. ATF 133 II 249 consid. 1.3.1 p. 252).
Une association a qualité pour recourir à titre personnel lorsqu'elle remplit les conditions posées par l'art. 89 al. 1 LTF. De même, conformément à la jurisprudence, sans être elle-même touchée par la décision entreprise, une association peut être admise à agir par la voie du recours en matière de droit public - nommé alors recours corporatif ou égoïste - pour autant qu'elle ait pour but statutaire la défense des intérêts de ses membres, que ces intérêts soient communs à la majorité ou au moins à un grand nombre d'entre eux et, enfin, que chacun de ceux-ci ait qualité pour s'en prévaloir à titre individuel (ATF 137 II 40 consid. 2.6.4 p. 46 s.; 130 II 514 consid. 2.3.3 p. 519; 130 I 26 consid. 1.2.1 p. 30; 121 II 46 consid. 2d/aa et les arrêts cités).
Enfin, il incombe au recourant d'alléguer, sous peine d'irrecevabilité du recours, les faits qu'il considère comme propres à fonder sa qualité pour recourir, lorsqu'ils ne ressortent pas de façon évidente de la décision attaquée ou du dossier (ATF 125 I 173 consid. 1b p. 175 et l'arrêt cité; 120 Ia 227 consid. 1 p. 229; 115 Ib 505 consid. 2 in fine p. 508 et les références).
2.2 La recourante allègue qu'elle a pour but l'intérêt de ses membres, qu'un grand nombre d'entre eux est touché par l'arrêt attaqué et dispose de la qualité pour agir individuellement. Elle renvoie à un arrêt du Tribunal cantonal du 9 janvier 2004, repris dans la décision entreprise, qui avait admis sa qualité pour recourir dans la présente cause. Les intimés contestent ce point, faisant valoir que l'intervention de la recourante est une action populaire et que celle-ci n'a pas démontré que la majorité de ses membres avait la qualité pour recourir chacun individuellement.
Il ressort des statuts d'Aqua Nostra que celle-ci a pour but de grouper les riverains et usagers du lac de Neuchâtel et de promouvoir la représentation et la défense de leurs intérêts auprès des autorités communales, régionales, cantonales et fédérales (art. 2). L'association se compose notamment de membres actifs, lesquels sont riverains du lac de Neuchâtel ou entretiennent avec la région des rapports ou des liens directs tels que notamment propriété de biens-fond, exercice d'une activité liée principalement ou accessoirement au tourisme ou aux loisirs nautiques ou intérêt marqué pour la sauvegarde de la région (art. 5). La recourante n'établit pas que la majorité de ses membres, ou du moins un grand nombre d'entre eux, serait propriétaire de chalets situés dans le périmètre régi par le plan critiqué. Or, si le Tribunal fédéral examine librement la recevabilité des recours qui lui sont soumis (ATF 136 I 42 consid. 1 p. 43 et la jurisprudence citée), le recourant ne peut toutefois se contenter de prétendre qu'il a la qualité pour recourir surtout lorsque, comme dans le cas particulier, celle-ci n'est pas évidente. Sur la base des éléments figurant au dossier, il est douteux que la majorité des membres d'Aqua Nostra soit légitimée à agir et, par conséquent, que la qualité pour recourir puisse être reconnue à cette dernière. Cette question peut toutefois rester indécise en l'espèce, puisque le recours s'avère de toute façon infondé et doit être rejeté au fond.
3. Dans un grief qu'il convient d'examiner en premier lieu, la recourante se plaint d'une violation de son droit d'être entendue. Elle reproche au Tribunal cantonal d'avoir refusé de faire produire les données scientifiques ayant permis d'établir les inventaires fédéraux sur lesquels se fondent les plans litigieux et de mettre en oeuvre une expertise ayant pour objet d'examiner le bien-fondé de la délimitation des périmètres de protection et des mesures contraignantes régissant les différents secteurs concernés. Dans ces conditions, elle n'aurait pas pu bénéficier d'un procès équitable.
3.1 Le droit d'être entendu comprend le droit pour l'intéressé de prendre connaissance du dossier, de s'exprimer sur les éléments pertinents avant qu'une décision ne soit prise touchant sa situation juridique, de produire des preuves pertinentes, d'obtenir qu'il soit donné suite à ses offres de preuves pertinentes, de participer à l'administration des preuves essentielles ou à tout le moins de s'exprimer sur son résultat, lorsque cela est de nature à influer sur la décision à rendre (ATF 129 II 497 consid. 2.2 p. 504/505; ATF 127 I 54 consid. 2b p. 56; 126 I 15 consid. 2a/aa p. 16 et les arrêts cités).
L'autorité de décision peut donc se livrer à une appréciation anticipée de la pertinence du fait à prouver et de l'utilité du moyen de preuve offert et, sur cette base, refuser de l'administrer. Ce refus ne viole le droit d'être entendu que si l'appréciation à laquelle elle a ainsi procédé est entachée d'arbitraire (ATF 131 I 153 consid. 3 p. 157 et les arrêts cités). Le Tribunal fédéral n'entre dès lors en matière que si cette appréciation se révèle insoutenable, en contradiction manifeste avec la situation effective, ou si elle a été adoptée sans motifs objectifs et en violation d'un droit certain, ce qu'il appartient au recourant de démontrer par une argumentation qui réponde aux exigences des art. 42 al. 2 et 106 al. 2 LTF (cf. ATF 134 II 349 consid. 3 p. 351 s.; 133 II 249 consid de 1.4.2 p. 254 et les références).
3.2 En l'espèce, la cour cantonale a refusé de donner suite aux diverses requêtes d'instruction de la recourante. Elle a relevé que l'adoption des inventaires fédéraux reposait sur des connaissances scientifiques très étendues, dont une part importante était disponible sur le site de l'Office fédéral de l'environnement. Il n'était d'ailleurs pas contesté que la Grande Cariçaie constituait un paysage et un site marécageux d'importance nationale et les données scientifiques étaient nombreuses et aisément accessibles, notamment par voie électronique, de sorte qu'il apparaissait superflu d'ordonner une nouvelle expertise. Surtout, le dossier comportait un rapport au sens de l'art. 47 de l'ordonnance du 28 juin 2000 sur l'aménagement du territoire (OAT; RS 700.1) et ce document n'était pas lacunaire au point de nécessiter un complément, voire une nouvelle enquête. Enfin, la recourante se bornait à formuler des remarques d'ordre général, sans porter sa critique sur des points précis, ce qui aurait peut-être pu justifier, pour autant qu'elles soient étayées, des compléments d'instruction. L'approche globale adoptée par la recourante amenait ainsi la cour cantonale à retenir que le dossier dont elle disposait était complet et lui permettait de statuer.
La recourante n'explique pas en quoi le raisonnement précité du Tribunal cantonal serait arbitraire. Elle se contente d'affirmer que, pour pouvoir critiquer la pertinence des inventaires fédéraux, il lui était indispensable d'en connaître les éléments justificatifs. Par ailleurs, elle n'intervenait pas dans le cadre de la présente procédure comme experte-biologiste et, sans l'assistance d'un spécialiste reconnu par les autorités judiciaires, elle n'était pas en mesure d'apporter des éléments concrets susceptibles d'être pris en considération par l'autorité judiciaire cantonale. Ces considérations, de nature purement appellatoire, ne suffisent pas à démontrer que l'appréciation à laquelle a procédé le Tribunal cantonal serait insoutenable, ce qui n'est au demeurant pas le cas. L'Office fédéral de l'environnement a confirmé qu'une grande partie des informations scientifiques relatives aux inventaires fédéraux se trouvait sur son site internet, ce que la recourante ne conteste pas. Elle soutient dès lors en vain qu'elle n'a pas pu avoir accès à ces données, celles-ci étant à la disposition de tout un chacun. Enfin, on ne voit pas très bien comment une expertise judiciaire aurait pu lui permettre de prouver le bien-fondé de ses arguments, alors qu'elle n'a jamais avancé un début de démonstration d'une quelconque violation du droit fédéral. Le Tribunal cantonal pouvait par conséquent, sans violer le droit d'être entendue de la recourante, renoncer à administrer les offres de preuve proposées. Le grief relatif l'absence de procès équitable doit également être rejeté.
4. Au fond, la recourante se prévaut d'une violation des art. 14 et 17 LAT, combinés avec l'art. 47 OAT. Elle estime que l'autorité planificatrice n'a pas suffisamment démontré la justification des plans litigieux, en particulier sous l'angle scientifique, et que le rapport explicatif est indigent, ne contenant que quelques généralités non motivées. Elle remet par ailleurs en cause le bien-fondé des inventaires fédéraux.
4.1 L'art. 47 al. 1 OAT exige de l'autorité de planification l'établissement d'un rapport qui démontre que les plans d'affectation sont conformes aux exigences découlant de la législation fédérale sur la protection de l'environnement; il s'agit d'un instrument permettant de réaliser la coordination matérielle entre le droit de l'environnement et le droit de l'aménagement du territoire requise à l'art. 25a LAT. Ce rapport dit de conformité doit en principe se prononcer concrètement sur les questions d'équipement, de bruit et de protection de l'air liées aux modifications proposées. L'étendue de l'examen auquel doit procéder l'autorité de planification varie toutefois selon le degré de précision du plan. Ainsi, lorsque la modification de la planification a lieu en vue d'un projet précis et détaillé qui doit être mis à l'enquête ultérieurement, l'autorité doit contrôler à ce stade si celui-ci peut être réalisé de manière conforme aux exigences de la législation fédérale sur la protection de l'environnement; dans les autres cas, elle doit être convaincue qu'un développement de la zone peut se faire de manière conforme à ces exigences moyennant, le cas échéant, des aménagements à définir dans la procédure d'autorisation de construire (arrêt 1A.281/2005 du 21 juillet 2006 et les références).
Par ailleurs, les inventaires fédéraux lient en principe les autorités cantonales. Il appartient à ces dernières de transposer l'inventaire dans un plan d'affectation, déployant des effets obligatoires pour les propriétaires. Lors de cette opération, l'autorité compétente bénéficie d'une certaine marge d'appréciation, résultant de l'imprécision des cartes d'inventaire, établies généralement à l'échelle 1:25'000. De plus, dans la mesure où l'inventaire adopté par le Conseil fédéral n'est pas sujet à recours, la jurisprudence retient que l'autorité judiciaire a la faculté de procéder à un contrôle préjudiciel de la conformité de l'inventaire au droit supérieur, étant précisé que le juge doit respecter la marge de manoeuvre accordée par la loi au Conseil fédéral (cf. arrêt 127 II 184 consid. 5 p. 190 ss et les références).
4.2 Dans le cas particulier, le rapport explicatif, non daté, accompagnant le dossier d'enquête du projet de classement, souligne la valeur du site de la Grande Cariçaie, d'importance nationale et internationale, et rappelle le plan directeur de 1982 ainsi que les inventaires fédéraux. Il précise que le projet vise la mise en place d'un plan de protection approprié à la mise en oeuvre de ceux-ci. La recourante se plaint que le rapport ne contient aucune donnée scientifique, ne prévoit pas de variantes possibles et n'explique pas comment s'est opérée la pesée des intérêts. Le rapport explicatif contesté est certes succinct, mais suffisant en l'espèce, étant rappelé que le but de cet instrument est de contrôler la conformité du plan d'affectation aux contraintes découlant de la législation fédérale sur la protection de l'environnement. Or, la décision de classement litigieuse vise justement à renforcer le statut de protection des réserves naturelles de la rive sud du lac de Neuchâtel. Comme il ne s'agit pas de l'implantation d'un projet ayant un impact négatif sur l'environnement, une présentation générale des mesures envisagées suffit à remplir les exigences de l'art. 47 OAT et l'autorité compétente n'était pas tenue d'exposer plusieurs variantes dans son rapport. Pour le surplus, la recourante n'adresse aucune critique concrète quant aux données contenues dans le rapport explicatif, si bien qu'il n'appartient pas au Tribunal fédéral d'examiner d'office ce qu'il en est.
4.3 La recourante conteste le bien-fondé et la nécessité des plans litigieux. Or, comme il a été vu au consid. 4.2 ci-dessus, les décisions contestées ont pour but la concrétisation des inventaires fédéraux relatifs aux sites marécageux, aux zones alluviales et aux marais d'importance nationale, sur lesquels figure le site de la Grande Cariçaie. La protection des réserves naturelles en question s'impose donc aux cantons, qui ont l'obligation de transposer les inventaires fédéraux dans un plan d'affectation (cf. en particulier les art. 18a al. 2 et 23c al. 2 de la loi fédérale du 1er juillet 1966 sur la protection de la nature et du paysage [LPN; 451]). C'est donc en vain que la recourante reproche aux autorités cantonales de n'avoir pas suffisamment justifié les plans de classement litigieux.
4.4 Aqua Nostra prétend enfin remettre en cause les inventaires fédéraux eux-mêmes, sans pour autant développer le moindre argument à l'appui de son grief. Elle ne discute pas, même brièvement, les considérants de l'arrêt attaqué sur cette question. Le Tribunal fédéral applique certes le droit d'office (art. 106 al. 1 LTF), sous réserve de l'art. 106 al. 2 LTF. Toutefois, eu égard à l'exigence de motivation contenue à l'art. 42 al. 1 et 2 LTF (cf. ATF 133 III 350 consid. 1.3 p. 351 s.; 133 IV 119 consid. 6.3 p. 120 s.), il n'examine en principe que les griefs invoqués pour autant que les vices juridiques ne soient pas manifestes. Dans la mesure où la recourante n'explique pas en quoi l'acte attaqué viole le droit (art. 42 al. 2 LTF) et que celui-ci ne présente pas d'emblée de vices graves, son grief est irrecevable.
Quoi qu'il en soit, le raisonnement du Tribunal cantonal ne prête pas le flanc à la critique et peut être confirmé sur ce point. Les juges cantonaux ont en effet admis qu'ils étaient habilités à vérifier à titre préjudiciel la validité des inventaires fédéraux ici en cause. La recourante ne mentionnait toutefois pas de violation du droit fédéral dans la délimitation retenue par ces inventaires, ni de parcelles particulières où la protection arrêtée ne serait pas conforme au droit supérieur. En l'occurrence, rien n'indiquait que la délimitation du périmètre des réserves naturelles de la rive sud du lac de Neuchâtel violait le droit fédéral et la recourante ne précisait pas non plus en quoi les mesures prévues dans le règlement violeraient les dispositions des ordonnances applicables. La recourante se bornait en réalité à présenter diverses remarques qui relèvent de l'observation de la situation de fait et censées démontrer l'inutilité des mesures prises, voire des inventaires fédéraux. Or, sur la base des critiques ponctuelles de la recourante, le Tribunal cantonal n'était pas en mesure de remettre en cause le bien-fondé des inventaires fédéraux et des décisions de classement litigieuses.
5. Il résulte de ce qui précède que le recours doit être rejeté dans la mesure où il est recevable, aux frais de la recourante qui succombe (art. 65 LTF, art. 66 al. 1 et 5 LTF). Celle-ci versera en outre une indemnité de dépens aux intimés qui ont eu recours à un avocat (art. 68 al. 2 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté dans la mesure où il est recevable.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 3'000 fr., sont mis à la charge de la recourante.
3. Une indemnité de 3'000 fr. est allouée aux intimés à titre de dépens, créanciers solidaires, à la charge de la recourante.
4. Le présent arrêt est communiqué aux mandataires des parties, au Département de l'intérieur, Service juridique et législatif, au Département de la sécurité et de l'environnement et au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour de droit administratif et public, ainsi qu'à l'Office fédéral de l'environnement, Division Droit.
Lausanne, le 17 mai 2011
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
Fonjallaz Mabillard