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 réserves 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 situés 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.
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 règlement accompagnant la décision de classement abroge les PEC et indique notamment, à son art. 13 al. 4, que "seuls sont autorisés les travaux d'entretien et de rénovation des bâtiments (tels que résidences secondaires), installations licites existantes et pour autant que les requérants soient au bénéfice d'un titre juridique suffisant".
C. Par décision du 5 décembre 2007, le Conseil d'Etat vaudois a adopté l'arrêté sur les chalets de vacances construits sur le domaine de l'Etat au bord du lac de Neuchâtel (ci-après: ACVNe). En substance, les autorisations accordées à bien plaire dans les périmètres des réserves naturelles de la décision de classement prennent fin le 31 décembre 2008, sous réserve de la conclusion d'un "contrat nature" entre l'Etat et le propriétaire de chalet. Le chalet ne peut être transmis qu'en ligne directe et au conjoint/partenaire enregistré. Le 5 décembre 2007 également, le Conseil d'Etat a modifié le plan directeur de 1982, en ce sens que l'obligation de suppression progressive des chalets de vacances a été complétée par la mention "sous réserve de conclusion de contrats nature fondés sur l'arrêté du Conseil d'Etat du canton de Vaud du 5 décembre 2007".
La Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal du canton de Vaud (ci-après: le Tribunal cantonal) a annulé l'arrêté précité le 30 juillet 2010, celui-ci n'ayant pas fait l'objet d'une enquête publique.
D. Le 15 octobre 2001, A._ et consorts, dont les chalets de vacances se situent dans la réserve des Grèves de la Motte, sur les communes de Chabrey et de Cudrefin, ont déféré devant le Département cantonal de l'intérieur la décision de classement du 4 octobre 2001. Leur recours a été rejeté le 30 octobre 2008.
Les intéressés ont porté leur cause devant le Tribunal cantonal, qui, par arrêt du 30 juillet 2010, a rejeté leur recours, dans la mesure de sa recevabilité, et confirmé la décision du Département cantonal de l'intérieur du 30 octobre 2008.
E. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ et consorts demandent au Tribunal fédéral d'annuler partiellement in fine l'art. 13 al. 4 du règlement de la décision de classement, les termes "et pour autant que les recourants soient au bénéfice d'un titre juridique suffisant" devant être déclarés invalides et radiés. Ils se plaignent d'une violation des art. 26 Cst., 24c al. 1 et 33 LAT ainsi que 156 CO.
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.
Le 21 décembre 2010, les recourants ont transmis au Tribunal fédéral, pour information, une copie d'un courrier qu'ils ont adressé le même jour à la Commission fédérale pour la protection de la nature et du paysage (CFPNP), faisant part à cette dernière de leur souhait d'être entendus et associés aux travaux d'expertises visant à établir si les chalets construits sur la rive sud du lac de Neuchâtel constituent ou non une atteinte à la protection de la nature et du paysage. Le 12 janvier 2011, la Direction des institutions, de l'agriculture et des forêts du canton de Fribourg a transmis au Tribunal fédéral une copie de sa réponse à la CFPNP, suggérant à celle-ci de ne pas répondre aux sollicitations des intéressés.
Par ordonnance du 18 octobre 2010, le Juge présidant de la Ire Cour de droit public a rejeté la requête d'effet suspensif des recourants.
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 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). Les recourants sont propriétaires de chalets inclus dans le périmètre du plan de classement des réserves naturelles de la rive sud du Lac de Neuchâtel. Ils ont donc manifestement qualité pour recourir au sens de l'art. 89 al. 1 LTF. Au surplus, le recours ayant été déposé en temps utile (art. 100 al. 1 LTF) et dans les formes prescrites par la loi (art. 42 LTF), il y a lieu d'entrer en matière.
2. En l'espèce, la contestation porte sur le classement de la rive sud du lac de Neuchâtel. Le Tribunal cantonal a notamment jugé que la suppression des zones à bâtir (prévues par les PEC), dans la décision de classement, était pleinement conforme à la planification directrice cantonale et à une pesée adéquate des intérêts en présence. Les recourants ne discutent plus cette question. Le seul point encore litigieux est le bien-fondé de l'art. 13 al. 4 du règlement accompagnant la décision de classement, le recours visant uniquement à obtenir la modification de cette disposition.
3. L'art. 13 al. 4 du règlement litigieux a la teneur suivante : "Seuls sont autorisés les travaux d'entretien et de rénovation des bâtiments (tels que résidences secondaires), installations licites existantes et pour autant que les requérants soient au bénéfice d'un titre juridique suffisant".
Les recourants estiment que la condition du titre juridique suffisant viole les art. 26 Cst., 24c al. 1 et 33 LAT ainsi que 156 CO. Cette condition ferait dépendre le maintien ou la démolition de leurs chalets du pouvoir discrétionnaire de l'Etat - propriétaire du sol -, lequel peut décider souverainement de renouveler ou pas les rapports contractuels avec les propriétaires de chalet.
3.1 La situation juridique des chalets situés dans les secteurs riverains du lac de Neuchâtel est complexe, dans la mesure où le terrain appartient à l'Etat de Vaud (parcelles inscrites au chapitre privé de l'Etat) et les propriétaires des chalets sont soit titulaires d'un droit réel sur ces fonds, soit au bénéfice d'autorisations à bien plaire. D'autre part, la présence de ces chalets a de longue date été perçue comme un problème d'aménagement du territoire et de protection de la nature. Les PEC édictés par les différentes communes, dans les années soixante, ont tout d'abord légalisé des zones de pavillons (zones à bâtir) dans le périmètre des zones de protection des réserves naturelles. Dans le plan directeur de 1982, l'idée était plutôt d'?uvrer à la suppression progressive de ces éléments "exorbitants" dans les réserves naturelles. La décision de classement du 4 octobre 2001 comporte ainsi une réglementation de la zone protégée évoquant ces chalets. C'est dans ce contexte que s'inscrit l'art. 13 al. 4, qui a suscité la contestation des recourants. Parallèlement à la décision de classement, le Conseil d'Etat a adopté l'arrêté sur les chalets de vacances construits sur le domaine de l'Etat au bord du lac de Neuchâtel (ACVNe), qui, par le biais des "contrats nature", consacre une solution intermédiaire entre la suppression (à court terme) de ces chalets et celle d'un maintien définitif.
3.2 En l'espèce, le Tribunal cantonal relève que l'art. 13 al. 4 du règlement n'est effectivement pas d'une extrême clarté. La disposition ne précise pas la nature des titres juridiques suffisants permettant le maintien d'un chalet existant et est muette sur les conditions auxquelles un tel titre juridique pourrait être renouvelé, voire accordé. Les juges cantonaux opèrent toutefois une distinction entre d'une part la modification de l'affectation du sol - soit l'abandon des zones de pavillons au profit des zones naturelles hors zone à bâtir - et d'autre part le sort des chalets proprement dits. D'une manière générale, une modification de l'affectation du sol ne signifie pas nécessairement que les constructions existantes, contraires à la nouvelle destination, doivent être détruites, ou maintenues, mais uniquement que leur sort doit désormais être apprécié en tenant compte de la non-conformité à la zone. L'art. 13 al. 4 du règlement ne va pas à l'encontre de ce principe général, puisqu'il ne règle pas le sort des chalets de manière définitive, que ce soit dans le sens de leur maintien ou de leur destruction, mais les soumet à l'existence d'un "titre juridique suffisant".
3.3 La motivation précitée du Tribunal cantonal ne prête pas flanc à la critique. La décision de classement, qui fait l'objet du présent litige, a pour principale vocation de régler l'utilisation du sol afin de répondre aux objectifs d'intérêt public fixés par le droit fédéral en matière de protection des biotopes, et non de se préoccuper du sort des chalets. L'art. 13 al. 4 du règlement ne règle d'ailleurs pas la question du maintien ou de la destruction de ces chalets, mais rappelle leur statut particulier. La notion de "titre juridique suffisant", certes floue, indique en effet que la possibilité d'entretenir ou de rénover les résidences secondaires existantes ne vaut que jusqu'à l'échéance des droits (cf. rapport explicatif, non daté, du Département cantonal relatif au projet de décision de classement). Peu importe qu'il s'agisse de l'échéance des DDP, de celle des autorisations accordées à bien plaire ou des contrats nature selon l'ACVNe. Comme le relèvent à juste titre les intimés, cet article n'est rien d'autre qu'un rappel que l'Etat de Vaud est le propriétaire du terrain, que les chalets ne s'y trouvent qu'à bien plaire et que, par conséquent, des travaux d'entretien et de rénovation ne pourront être autorisés que pour autant que l'Etat n'ait pas décidé de ne plus renouveler les autorisations d'usage du terrain. Cette dernière question, relative à l'avenir des chalets proprement dit et au régime qui leur est applicable, est du reste soumise à une procédure séparée (ACVNe; cf. let. C de la partie "en faits" ci-dessus) et sort du cadre du présent litige. Les recourants font ainsi une fausse lecture de l'art. 13 al. 4 précité, lorsqu'ils affirment qu'au moyen de cette disposition, le Conseil d'Etat pourrait arbitrairement ordonner la démolition de leurs chalets. Leurs griefs (violation des art. 26 Cst., 24c al. 1 et 33 LAT et 156 CO), qui se basent sur cette prémisse, sont dès lors dénués de pertinence.
Sur le vu de ce qui précède, c'est à bon droit que le Tribunal cantonal s'est limité aux questions relatives à la planification et a écarté celles qui pourraient concerner la démolition (ou le maintien) des constructions individuelles. Il appartiendra en effet aux autorités cantonales compétentes d'appliquer l'art. 13 al. 4 du règlement, et, cas échéant, de prendre des mesures concrètes sur cette base, en appréciant la situation de chaque chalet pris isolément. C'est dans cette seconde phase seulement qu'il sera procédé à un examen de tous les intérêts en présence, en tenant compte des principes juridiques usuels en vigueur, et que les recourants pourront faire valoir leurs moyens.
4. Mal fondé, le recours doit être rejeté, aux frais des recourants qui succombent (art. 65 LTF, art. 66 al. 1 et 5 LTF). Ceux-ci verseront 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.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 3'000 fr., sont mis à la charge des recourants, solidairement entre eux.
3. Une indemnité de 3'000 fr. est allouée aux intimés à titre de dépens, créanciers solidaires, à la charge des recourants, solidairement entre eux.
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