Faits: A. Le 2 mars 1973, le Conseil d'Etat du canton de Vaud a octroyé une concession pour usage d'eau (portant désormais le numéro 35/617) à l'Association A._ (ci-après: l'Association) sur le lac de Neuchâtel, au lieu-dit "Les Grèves". Le port, d'une surface totale de 640 m2, est un port intérieur réalisé sur le domaine privé de l'Etat de Vaud et les digues d'entrée se trouvent sur le domaine public cantonal du lac de Neuchâtel. Le lieu-dit "Les Grèves" se situe dans un secteur inclus dans le périmètre de l'objet n° 416 de l'inventaire des sites marécageux de beauté particulière et d'importance nationale de l'ordonnance sur la protection des sites marécageux de beauté particulière et d'importance nationale du 1er mai 1996 (OSM; RS 451.35). Il a aussi été intégré dans les réserves d'oiseaux d'eau et migrateurs d'importance internationale (n° 5 de l'annexe à l'ordonnance sur les aires d'oiseaux d'eau et migrateurs d'importance internationale et nationale du 21 janvier 1991 [RS 922.32]). Il fait également partie de la liste des zones alluviales d'importance nationale (n° 207 de l'annexe 1 de l'ordonnance du 28 octobre 1992 sur la protection des zones alluviales d'importance nationale [RS 451.31]) et des bas-marais d'importance nationale (n° 645 de l'annexe 1 de l'ordonnance du 7 septembre 1994 sur la protection des bas-marais d'importance nationale [RS 451.33]). En application de ces ordonnances fédérales, le Département de la sécurité et de l'environnement du canton de Vaud (ci-après: le Département de la sécurité) a rendu, le 25 mars 2002, une décision de classement de réserves naturelles concernant les territoires situés notamment sur la commune de Chabrey. B. La concession pour usage d'eau n° 35/617, accordée pour une durée de trente ans, est arrivée à échéance le 31 décembre 2002, sans que l'Association n'ait requis son renouvellement. En décembre 2007, l'Association a déposé auprès du Service des eaux, sols et assainissement du canton de Vaud (ci-après: le Service des eaux) une demande de renouvellement de la concession pour une durée de trente ans, soit jusqu'au 31 décembre 2037. Mis à l'enquête publique du 27 janvier au 25 février 2008, le renouvellement de la concession a suscité l'opposition de Pro Natura Vaud, Pro Natura Suisse, WWF Vaud, WWF Suisse et de l'Association suisse pour la protection des oiseaux (ci-après: Pro Natura et consorts). Les services concernés de l'administration cantonale ont été consultés et ont rendu des préavis négatifs. Le Centre de conservation de la faune et de la nature du Service des forêts, de la faune et de la nature du canton de Vaud a refusé de délivrer les autorisations nécessaires pour le renouvellement de la concession du port, a proposé d'autoriser le maintien du port à bien plaire jusqu'à ce que les places d'amarrages dans le port de Portalban soient disponibles et a précisé que les aménagements portuaires devront alors être démontés et le site remis en état, aux frais des bénéficiaires. La Commission de gestion de la Grande Cariçaie, la section Hors Zone à bâtir et la Commission des rives du lac du Service du développement territorial du canton de Vaud ont également préavisé négativement le renouvellement de la concession, le projet étant situé dans une réserve naturelle légalisée. C. Par décision du 13 février 2009, le Département de la sécurité a refusé de renouveler la concession, tout en la tolérant "jusqu'à la mise en exploitation de l'extension du port de Delley-Portalban". Il a aussi précisé que "dès la mise à disposition effective des places au port de Portalban, le port concédé par l'acte n° 35/617 sera détruit et les lieux remis en état". L'Association et plusieurs de ses membres, dont B._ et consorts (ci-après: l'Association et consorts) ont recouru contre cette décision auprès de la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal du canton de Vaud (ci-après: le Tribunal cantonal), en vue du renouvellement de la concession. Pro Natura et consorts ont également déposé un recours à l'encontre de cette décision, demandant qu'il soit imparti à l'Association un "délai au 13 février 2011 pour mettre fin à l'utilisation du port construit en vertu de cette concession et pour détruire ce port et rétablir les lieux dans leur état initial naturel". Le 4 octobre 2010, le Tribunal cantonal a tenu une inspection locale en présence des parties. Par arrêt du 31 mars 2011, il a admis le recours de Pro Natura et consorts et annulé la condition autorisant l'utilisation du port jusqu'à la mise en exploitation de l'extension du port de Delley-Portalban. Il a admis très partiellement le recours de l'Association et consorts, en ce sens que l'ordre de démolition est annulé et le dossier retourné au Département de la sécurité pour compléter l'instruction dans le sens des considérants et statuer à nouveau. D. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, l'Association et consorts demandent au Tribunal fédéral principalement de réformer l'arrêt du 31 mars 2011, en ce sens que la concession d'usage d'eau n° 35/617 est renouvelée au bénéfice de l'Association. Ils concluent subsidiairement au renvoi du dossier au Département de la sécurité pour qu'il procède au renouvellement de ladite concession pour usage d'eau. Le Service du développement territorial, le Service des eaux, le Service des forêts, de la faune et de la nature du canton de Vaud, l'Office fédéral de l'environnement, le Tribunal cantonal ainsi que Pro Natura et consorts concluent au rejet du recours. L'Office fédéral du développement territorial renonce à se déterminer. Les recourants ont répliqué par courrier du 5 décembre 2011. 